摘 要 將*的信號(hào)處理方法和數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP） 應(yīng)用于流量計(jì)的信號(hào)處理, 計(jì)算流量信號(hào)的頻率和相位差等, 克服目前此類流量計(jì)信號(hào)處理方法的局限, 提高測(cè)量精度和抗*力, 擴(kuò)大量程比, 實(shí)現(xiàn)小流量測(cè)量。研制基于智能渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)二次儀表。
被人們稱為“數(shù)字孔板”的智能渦街流量計(jì), 具有測(cè)量精度較高、無活動(dòng)件、可靠性好、輸出信號(hào)頻率與狀態(tài)體積流量成正比等優(yōu)點(diǎn)。近年來發(fā)展速度居流量?jī)x表第二位, 在各行各業(yè)獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。但是, 智能渦街流量計(jì)在應(yīng)用中還存在兩個(gè)關(guān)鍵問題沒有解決。一是由于智能渦街流量計(jì)工作原理的關(guān)系, 它易受外界振動(dòng)干擾, 而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)是普遍存在的。①管道機(jī)械振動(dòng)干擾: 水泵、閥門的開啟, 大電機(jī)的運(yùn)行等; ②流場(chǎng)干擾: 流場(chǎng)不穩(wěn)定, 在現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度達(dá)不到要求。由于現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)噪聲的干擾, 使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定誤差, 有時(shí)實(shí)際測(cè)量誤差可達(dá)50% 之大。二是量程下限受限, 不能測(cè)量小流量。而現(xiàn)場(chǎng)的管道是一定的, 并且, 工藝上對(duì)流體的壓力有要求, 不能縮小管道的口徑, 所以,測(cè)量小流量是不可避免的。量程下限受限是由于當(dāng)流量小時(shí), 智能渦街傳感器的輸出信號(hào)比較微弱, 易被噪聲淹沒。所以, 上述兩個(gè)問題是有內(nèi)在的。這兩個(gè)問題影響了智能渦街流量計(jì)特點(diǎn)的發(fā)揮, 阻礙它的發(fā)展。

V錐流量計(jì)是一種新型流量計(jì), 其特點(diǎn)是: 直接實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測(cè)量, 這是許多工業(yè)應(yīng)用迫切期待的; 管內(nèi)無障礙物, 便于清洗; 可以同時(shí)獲取密度測(cè)量值。它是當(dāng)前發(fā)展為迅速的流量計(jì)之一, 具有廣闊的應(yīng)用前景。V錐流量計(jì)也是基于流體振動(dòng)原理進(jìn)行工作的。它要求其信號(hào)處理電路地測(cè)量來自兩個(gè)流量傳感器信號(hào)的相位差。目前, 其基于模擬電路的信號(hào)處理方式（ 放大、濾波、整形和計(jì)數(shù)） , 存在如下局限:①對(duì)噪聲特別敏感。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng), 噪聲各種各樣, 干擾是無法避免的。V錐流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率落入許多工業(yè)噪聲的頻率范圍, 而且傳感器輸出信號(hào)的幅值比較小, 在許多情況下, 并不明顯大于噪聲信號(hào)的幅值, 這就限制了V錐流量計(jì)的靈敏度, 使得有用信息的獲取十分困難, 導(dǎo)致實(shí)際的測(cè)量精度達(dá)不到指標(biāo)規(guī)定的精度。②模擬濾波器會(huì)改變信號(hào)的幅值和相位, 這是不希望產(chǎn)生的結(jié)果。因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)之間的時(shí)間延遲是用來求出處理流體特性的基本信息。③管子的振動(dòng)頻率受流體密度等因素的影響, 使其不等于驅(qū)動(dòng)頻率, 以致于傳感器輸出信號(hào)的頻率發(fā)生變化以及頻率成分復(fù)雜, 二次儀表所測(cè)出的是合成波的相差。④測(cè)量流體時(shí), 兩個(gè)信號(hào)的相位差一般小于4°; 當(dāng)測(cè)量氣體時(shí), 由于氣體產(chǎn)生的科里奧利力小, 故相差更小, 處理更為困難。
為此, 本文將*的信號(hào)處理方法和數(shù)字信號(hào)處理器（SP） 應(yīng)用于V錐流量計(jì)的信號(hào)處理, 計(jì)算流量信號(hào)的頻率和相位差等, 克服目前上述流量計(jì)信號(hào)處理方法的局限, 提高測(cè)量精度和抗*力, 擴(kuò)大量程比, 實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量和小流量測(cè)量。
智能渦街流量計(jì)信號(hào)處理方法和系統(tǒng)研制的基于DSP 具有譜分析功能的智能渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)由ADSP2181（AD公司的DSP芯片）處理器、前向輸入通道、模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護(hù)電路、串行通信接口、液晶顯示（ LCD） 、模擬量輸出以及軟件組成。前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、抗混疊濾波器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。
鍵盤輸入完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信RS232 接口使系統(tǒng)可以和微機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

流量計(jì)中的傳感器（ 例如, 壓電傳感器） 將所感受到流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 經(jīng)過電荷放大器、程控放大器和抗混疊濾波器, 送到模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器; 模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器與ADSP2181 之間的通信方式為中斷方式。采樣數(shù)據(jù)在中斷服務(wù)程序中送入ADSP2181 數(shù)據(jù)存貯器的環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ADSP2181 定時(shí)用周期圖譜分析方法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析; 在進(jìn)行多次功率譜分析的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行平均, 確定出大功率譜值,得到它所對(duì)應(yīng)的頻率, 即為信號(hào)的頻率。ADSP2181定時(shí)計(jì)算信號(hào)頻率, 再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度、壓力等補(bǔ)償, 可以得到瞬時(shí)流量值等, 送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 供LCD 顯示、模擬量輸出等。也可通過積算,給出累積流量。該系統(tǒng)的軟件框圖如圖2 所示。

采取一系列措施解決處理精度和實(shí)時(shí)性的問題: 通過選取合適的頻率分辨率來控制非整周期采樣所造成的計(jì)算誤差。采用頻譜校正方法提高計(jì)算精度。通過分段設(shè)置采樣頻率, 以

及通過計(jì)算信號(hào)的幅值來調(diào)整程控放大器的增益, 使處理信號(hào)的范圍擴(kuò)大到2~2500Hz。定時(shí)計(jì)算, 邊計(jì)算邊采樣, 利用環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 將采樣的數(shù)據(jù)刷新隊(duì)列里老的數(shù)據(jù)

, 每次計(jì)算都用采樣的數(shù)據(jù)。在2秒中作20 次譜分析, 去掉大兩個(gè)數(shù)據(jù)、小兩個(gè)數(shù)據(jù), 取其平均值后, 送LCD 顯示。做到處理實(shí)時(shí),顯示及時(shí), 結(jié)果穩(wěn)定。已申報(bào)了國(guó)家發(fā)

明。用HP公司的信號(hào)發(fā)生器測(cè)試, 基于DSP具有譜分析功能的智能渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的大相對(duì)誤差不大于0. 014% , 測(cè)量范圍為2Hz ~2500Hz, 抗*力強(qiáng)。分別在安徽省流量?jī)x表檢定站和ABG儀表集團(tuán)的標(biāo)定裝置上, 與合肥儀表總廠和ABG儀表集團(tuán)的傳感器相配合, 進(jìn)行了性能測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),線性度為0. 11596%, 重復(fù)性為0. 0264575% , 量程比達(dá)到1: 15。并與合肥儀表總廠和ABG儀表集團(tuán)的放大器及二次儀表進(jìn)行比較, 結(jié)果表明, 我們系統(tǒng)測(cè)量下限低（即測(cè)量小流量能力強(qiáng)） 、流程比寬、測(cè)量精度高和抗*力強(qiáng)。
V錐流量計(jì)信號(hào)處理方法和系統(tǒng)
研制的基于DSP 的V錐流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)由ADSP2181、信號(hào)采集通道、邏輯控制電路、LCD 電路、鍵盤輸入電路、串行通信電路、4~20mA 輸出電路和激振電路以及軟件組成, 其系統(tǒng)硬件如圖3 所示。其中, 信號(hào)采集通道由放大及低通濾波器、溫度檢測(cè)電路、多路轉(zhuǎn)換器和采樣/ 保持及模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。鍵盤輸入完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信接口使系統(tǒng)可以和其它微機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行通信。激振電路由電壓跟隨、放大濾波電路、整流電路、增益控制電路、乘法電路、振動(dòng)過強(qiáng)保護(hù)電路、電壓放大電路和功率放大電路組成, 能自動(dòng)跟蹤流量管固有振動(dòng)頻率的變化,以此頻率驅(qū)動(dòng)流量管振動(dòng), 并保持振幅穩(wěn)定。

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控程序、中斷服務(wù)模塊、外部中斷服務(wù)模塊、定時(shí)中斷服務(wù)模塊、初始化模塊、相位差測(cè)量模塊、頻率跟蹤模塊、鍵盤監(jiān)控模塊、顯示模塊、通信模塊、溫度補(bǔ)償模塊和延時(shí)子程序, 如圖4所示。

以ADSP2181 為處理核心, 采用DFT 方法, 處理流量計(jì)信號(hào), 計(jì)算出流量管振動(dòng)基頻的頻率、相位差和幅值, 從而得到準(zhǔn)確的質(zhì)量流量。流量計(jì)中的傳感器（ 例如, 兩個(gè)磁電式傳感器） 將所感受到流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào); 磁電傳感器的輸出電信號(hào)經(jīng)過放大和濾波器、多路轉(zhuǎn)換器, 送到模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器; ADSP2181與模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器之間用中斷方式通信。ADSP2181在中斷服務(wù)程序中讀入采樣數(shù)據(jù), 送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ADSP2181 定時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 分為測(cè)量初始化階段、相位差測(cè)量階段和頻率跟蹤階段。
在初始化階段, 只采集1 個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行粗測(cè)和細(xì)測(cè), 得到信號(hào)頻率的準(zhǔn)確值, 以便實(shí)現(xiàn)整周期采樣, 保證信號(hào)處理的精度。在初始化階段完成后, 就進(jìn)入相位差測(cè)量階段。以信號(hào)頻率的整數(shù)倍的頻率, 交叉采集2 個(gè)傳感器的信號(hào), 計(jì)算其相位差和幅值; 再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度等補(bǔ)償, 可以得到瞬時(shí)質(zhì)量流量值等流量數(shù)值。流量管的振動(dòng)頻率會(huì)隨著被測(cè)流體密度的不同而發(fā)生變化, 為了確保采樣頻率是信號(hào)頻率的整數(shù)倍, 必須定時(shí)進(jìn)行頻率跟蹤。提出一種容易實(shí)現(xiàn)的、精度較高的頻率跟蹤方法, 在一定的頻率范圍內(nèi),變化采樣頻率, 計(jì)算功率譜, 通過比較功率譜值的大小, 確定流量管的振動(dòng)基頻, 調(diào)整采樣頻率, 實(shí)現(xiàn)整周期采樣, 保證數(shù)字信號(hào)處理的精度。同時(shí), 頻率變化量也反映出流體的密度。將瞬時(shí)質(zhì)量流量和密度送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 供LCD顯示、模擬量輸出等。也可通過積算, 給出累積質(zhì)量流量。傳感器的信號(hào)送入激振電路, 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),送到電磁激振器的線圈, 使流量管振動(dòng)。