[导读] 针对涡街流量计低流速的信号噪声问题，介绍基于MSP430数字涡街流量计的实验系统，探讨、研究噪声信号的处理。采用精度较高的称重法在流量实验标准装置上对数字涡街流量计进行标定。实验结果表明，运用MSP430功能强大的微处理器及高速运算能力，有效地扩大涡街的量程比，实现对涡街流量计的信号分析、处理，提高对噪声的抗干扰能力。
1 引言
涡街流量计因其介质适应性强，无可动部件，结构简单，使用寿命长等诸多优点，在许多行业得到了广泛的应用[1]。然而，涡街流量计也存在着明显的弱点。在低流速条件下，涡街信号的信噪比很低，有用信号几乎被噪声淹没；给低流速条件下的测量造成了很大的困难；且容易受到振动噪声的干扰。传统的涡街流量计的信号处理方法采用的是模拟电路，解决不了低流速条件下的信号处理问题，量程比只能达到1：10，限制了涡街流量计的使用。目前，关于涡街的抗震性及抗噪声方面的研究取得了一些进步[2，3]，本文正是利用MSP430强大的处理功能，实现对涡街流量计的信号分析和处理，从而提高对噪声的抗干扰能力，提高量程比。
2 数字涡街流量计的工作原理
2.1 涡街的产生与涡街现象
涡街流量计是利用流体振动原理来进行流量测量。即在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速（或流量）有一定关系。其测量原理为：把一个非流体线性阻流体（也称为旋涡发生体）竖直插入管道中，随着流体绕过阻流体流动，产生附层分离现象，形成有规则的旋涡列，左右两侧的旋涡的旋转方向相反，这种旋涡称卡门涡街[4]，如图1所示。
图1 卡门涡街现象
2.2 涡街流量信号的组成
从处理电路出来的信号，形式一般都是弱电压或弱电流。这个信号是杂乱无规则的，这是因为信号中既包括了从涡街传感器所测得的有用信号，又包括了各种无用的噪声干扰信号，这些干扰信号主要包括电磁场干扰信号、管道振动的干扰信号。
虽然理想的涡街信号经电荷放大器和低通滤波器后应该是一个规则的正弦波信号，但由于不可避免地叠加了各种噪声信号，所以得到的信号看起来是杂乱无章的。图2则表示了一个典型的受干扰的涡街信号。因此有用信号的提取显得尤为重要[5]。
图2 受干扰的涡街信号
2.3 涡街信号的测量
根据卡门涡街原理，单侧漩涡频率f和漩涡发生体两侧流速u1有如下关系：
（1）
式中：d——漩涡发生体的迎流面的最大宽度；Sr——斯特劳哈尔数，无量纲。
在以d为特征尺寸的雷诺数Re的一定范围内，Sr为常数。
当柱体的形状、尺寸确定之后，就可根据式（1）通过测定f来测定漩涡发生体两侧的流体流速u1。
根据流体流动的连续性原理可得：
Au=A1u1涡 （2）
式中：A1——漩涡发生体两侧流通面积，m2；A——管道流通面积，m2；u——管道截面上流体平均流速，m/s。
定义截面比，则可得，则瞬时体积流量为：
（3）
式中：D——管道内径，m。
对于圆柱体旋涡发生体，可以计算出：
（4）
则涡街流量计的仪表系数为：
（5）
式中：qv——通过流量计的体积流量，L/s；f——流量计输出的信号频率，Hz；K——涡街流量计的仪表系数，1/L。
以上的推理是在斯特劳哈尔数Sr为常数的基础上的。仪表系数K仅与漩涡发生体的几何参数有关系，而与流体的物性和组分无关[4]。
涡街流量计可以测量液体流量，也可以测量气体流量。流量特性曲线不受液体压力、温度、黏度、密度和成分的影响，而且水的特性与空气的特性基本一致，这也为涡街流量计在不同介质上的标定和使用带来了方便。
3 基于MSP430数字涡街流量计的硬件结构分析
3.1 MSP430数字涡街流量计的整体结构
图3所示为一数字涡街流量计的整体结构图，采用了以MSP430单片机为数据处理核心的单CPU硬件结构。仪表的整体结构可以分为对压电传感器输出的涡街信号进行处理的前置放大器电路、单片机采集、信号处理和输出电路。
图3 MSP430数字涡街流量计的结构
检测涡街频率信号采用应力式检测方式。把膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发生体后，当旋涡在旋涡发生体附近产生后，就会作用在检测元件上面产生一个交替的升力，该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同，这个升力加上管道噪声和流体振动噪声同时作用在检测元件上，使其产生应力变化，应力差作用于膜片上，使检测元件内的压电晶体元件的诱导电荷发生变化，将电荷变化量引出，它是微弱的含有各种噪声的电荷信号（幅值在几毫伏左右），此即压电传感头的输出信号，亦是涡街前置放大器电路的输入信号。压力传感器的输出信号要经过模拟信号处理才能输入单片机进行数字信号处理。
模拟信号处理通过以运算放大器为主体的模拟电路实现：¹通过输入级的电荷放大器将流量计压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号；º通过程控放大器实现对电荷放大器输出信号的程控放大；»通过模拟低通滤波器实现了信号ADC（模数转换）之前的滤波。
3.2 数字涡街信号的前置放大电路分析
前置放大电路的任务是将检测元件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉冲信号[6]。前置放大电路主要由电荷放大器、低通滤波器、限幅器和施密特触发整形器四部分构成，而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路来实现[2]。本文研究的数字涡街流量计选用压电式涡街传感头，此压电传感头的输出信号，亦是涡街前置放大器电路的输入信号。
由于压电传感器输出的电信号是很微弱的电荷信号，且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，必须放大传感器输出的微弱信号，并将压电式传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。而电荷放大器实际上是一个以电容为反馈元件的具有深度负反馈的高增益运算放大器，不同于一般电压放大器的是，其输入信号是电荷，输出信号为电压。图4为电荷放大器的电路图。
图4 电荷放大器的电路图
影响前置放大器电路正常工作的主要来自周围的电磁场干扰，可分为高频电磁辐射干扰和低频电磁干扰。高频电磁辐射干扰大多来自空间电磁场的作用，因频率较高且与涡街的频带（一般为几赫兹和几千赫兹）相差较远，可以通过金属防护罩屏蔽和低通滤波的方法加以解除。至于低频电磁干扰（50Hz），由于其频率处于涡街信号的频带之内，金属外壳无法防御，故消除低频电磁干扰是前置放大电路的关键。
为了衰减信号中的高频成分，在电路中加入了低通滤波器。为了保证流量信号在低频、高频都有高的信噪比，都有很强的抗干扰能力，因此，要把低通滤波器的截止频率定在低频段，来滤除普遍存在的50Hz的工频干扰、流场的低频摆动噪声等低频干扰噪声，保证在小流量情况下，仍有较高的信噪比，进行正确的测量。但是，截止频率也不能定的很小，否则会对高频信号衰减得过大，导致高频段的信噪比降低，影响测量。因此，必须选择一个适当的截止频率；当然，不同口径和不同介质（气、液）涡街的截止频率也会不同。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它其实是具有双门限值的反相输入迟滞比较器，由于对输入输出信号具有迟滞作用，所以能够有效地防止由噪声产生的振荡。施密特触发器在性能上有两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同；第二，在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边缘变得很陡。利用这两个特点，不仅可以将边缘变化缓慢的信号波形整形为边缘陡峭的矩形波，而且可以将叠加于矩形脉冲高信号、低电平上的噪声有效地清除。
3.3 MSP430单片机及其外围电路分析
数字涡街流量计信号处理系统主要利用了MSP430内部的12位A/D对前置放大电路中低通滤波后的涡街流量信号进行采样；利用MSP430内部的ROM作为存储DSP程序的外部FlashROM；利用MSP430丰富的I/O和中断端口进行数据传输、液晶驱动、键盘管理、累计存储和脉冲输出等。图5所示为MSP430单片机外围电路硬件结构框图。
图5 单片机外围电路硬件结构框图
涡街信号采集电路主要实现对正弦信号和方波信号的采集，对正弦信号的采集主要利用内部的A/D转换模块进行，而利用具有中断功能的I/O端口进行方波信号的采集；HPI接口电路主要是用于与处理器进行通信，单片机上则利用其接口进行信息的通信；液晶显示电路外接显示屏完成显示的功能，用于显示测量的瞬时流量和累计流量等；脉冲输出电路主要用来实现脉冲输出，有别于液晶显示输出；JTAG接口则为了调试程序等用来调试单片机的程序。
4 数字涡街流量计水流量实验及实验数据分析
图6为水流量实验装置原理图。实验采用精度较高的称重法进行标定，通过分析数字涡街流量计的仪表性能，并结合硬件设计和信号处理算法，分析数字涡街流量计在信号处理上具有的优势。实验采用50mm口径的标准表管路，300kg测量上限的电子秤。经过实验，绘制出重复性与测量点的曲线及仪表系数与测量点的曲线，如图7、图8所示，从而更好地分析数字涡街流量计的性能。
图6 水流量实验装置原理图
图7 数字涡街流量计的重复性曲线
图8 数字涡街流量计的仪表系数曲线
由于低速下的涡街信号十分复杂，干扰信号甚至能淹没了有用信号，采用普通硬件滤波的方法很难提取有用信号，但数字涡街流量计采用了频谱分析的方法，将实际的涡街信号做FFT变换，找到频谱峰最高的峰值点，将该点的频率作为涡街频率的测量值，则可有效得出涡街有用的频率。因此与传统的模拟涡街流量计相比，能更好地滤除噪声信号，大大扩展了流量下限。
通过实验数据及图线也可以发现，基于MSP430技术，采用了FFT算法的数字涡街流量计，在小流量时仍然具有很好的重复性以及比较稳定的仪表系数，表明了数字处理方法对扩展涡街流量计的测量下限具有很好的效果。
5 结束语
由于MSP430是一种功能强大的微处理器，具有高速运算能力及功能丰富的各种模块，因此给信号处理的各种复杂的算法提供了硬件条件。随着MSP430等处理器的发展与推广，数字处理能力的不断提高及各种算法的发展，数字型涡街流量计正获得飞速发展。
参考文献：
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