數字管道壓縮空氣流量計的信號組成及處理與系統實現
摘要：為降低管道壓縮空氣流量計測量下限，拓展其應用領域，本文基于 TMS320F2812 DSP 為核心的數字管道壓縮空氣流量計，采用頻域分析和時域分析相結合的方式，將管道壓縮空氣流量計流量下線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了管道壓縮空氣流量計的量程比。
引言
管道壓縮空氣流量計通過測量旋渦發生體兩側交替產生有規律的旋渦的頻率實現流量計量。因其在制造、使用和維護方面較其他類型的流量測量儀表有著獨特的優勢，管道壓縮空氣流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領域得到了廣泛的應用。但由于其不適用于低流速流體的測量，管道壓縮空氣流量計的使用也受到限制。
目前，采用基于模擬電子技術的信號處理方法的管道壓縮空氣流量計被廣泛使用，為了解決管道壓縮空氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控制核心，實現了用于液體測量的數字管道壓縮空氣流量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者干擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路后，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪聲同時被放大。因此管道壓縮空氣流量計不適用于低流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加濾波器環節。目前在管道壓縮空氣流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式只在電路的局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪聲變化的特點采用數字技術的跟蹤濾波器、自適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑制噪聲，提取有用信號。
本課題設計的管道壓縮空氣流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 系統實現
本文設計的基于 TMS320F2812 DSP 的數字管道壓縮空氣流量計的信號處理系統由前置放大電路和數字信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通管道壓縮空氣流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發電路組成; 對于經壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時域分析相結合的方式，即由前置放大電路和數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波進行頻率計算，然后再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾波電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣的結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*后由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。系統設計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在正常流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然后將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈沖計頻，再通過 DSP 運算處理，*后由事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬管道壓縮空氣流量計的信號處理方法，具有在正常流量范圍內高信噪比情況下計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦街信號容易受到嚴重的干擾，造成整形時的誤觸發，從而導致 DSP 計算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析通道，利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號進行采樣，之后進行快速傅里葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*后采用與時域分析通道相同的方式進行脈沖輸出。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬方法很難解決的低信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的測量下限且計量準確，具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度穩壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置主要由兩個部分組成--稱重系統和標準表( 渦輪流量計) 系統。本文采用稱重系統進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發計時控制器，以保證水的重量和時間的同步測量。
稱量容器將其內部水排空后，將電子秤示數調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試驗開始時，換向器置于使水流入旁通管路的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈沖計數器。當到達預定的水量時，設置換向器自動換向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈沖計數器顯示的脈沖數。由水的總質量和計量的時間便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結合被校表脈沖數，實現儀表系數的標定。
4 試驗數據
將本文實現的數字管道壓縮空氣流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量范圍內進行試驗，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的*小流量。每個流量點試驗三次，計算其重復性、平均儀表系數和線性度。水流量試驗數據如表 1 所示。
本文實現的數字管道壓縮空氣流量計有效地降低了DN50 液體管道壓縮空氣流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用于液體測量的數字管道壓縮空氣流量計，由試驗數據可知，該數字管道壓縮空氣流量計可實現對小流量液體的測量，拓寬了管道壓縮空氣流量計的量程比。
引言
管道壓縮空氣流量計通過測量旋渦發生體兩側交替產生有規律的旋渦的頻率實現流量計量。因其在制造、使用和維護方面較其他類型的流量測量儀表有著獨特的優勢，管道壓縮空氣流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領域得到了廣泛的應用。但由于其不適用于低流速流體的測量，管道壓縮空氣流量計的使用也受到限制。
目前，采用基于模擬電子技術的信號處理方法的管道壓縮空氣流量計被廣泛使用，為了解決管道壓縮空氣流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控制核心，實現了用于液體測量的數字管道壓縮空氣流量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者干擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路后，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪聲同時被放大。因此管道壓縮空氣流量計不適用于低流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加濾波器環節。目前在管道壓縮空氣流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式只在電路的局部環節應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪聲變化的特點采用數字技術的跟蹤濾波器、自適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑制噪聲，提取有用信號。
本課題設計的管道壓縮空氣流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 系統實現
本文設計的基于 TMS320F2812 DSP 的數字管道壓縮空氣流量計的信號處理系統由前置放大電路和數字信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通管道壓縮空氣流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發電路組成; 對于經壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時域分析相結合的方式，即由前置放大電路和數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波進行頻率計算，然后再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾波電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣的結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*后由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。系統設計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在正常流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然后將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈沖計頻，再通過 DSP 運算處理，*后由事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。此設計方案借鑒了傳統模擬管道壓縮空氣流量計的信號處理方法，具有在正常流量范圍內高信噪比情況下計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦街信號容易受到嚴重的干擾，造成整形時的誤觸發，從而導致 DSP 計算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析通道，利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號進行采樣，之后進行快速傅里葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*后采用與時域分析通道相同的方式進行脈沖輸出。頻域分析通道的設計方案把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬方法很難解決的低信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的測量下限且計量準確，具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度穩壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置主要由兩個部分組成--稱重系統和標準表( 渦輪流量計) 系統。本文采用稱重系統進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發計時控制器，以保證水的重量和時間的同步測量。
稱量容器將其內部水排空后，將電子秤示數調零，保證電子秤的示數為流入的水的重量。試驗開始時，換向器置于使水流入旁通管路的方向，當流量穩定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈沖計數器。當到達預定的水量時，設置換向器自動換向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈沖計數器顯示的脈沖數。由水的總質量和計量的時間便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結合被校表脈沖數，實現儀表系數的標定。
4 試驗數據
將本文實現的數字管道壓縮空氣流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量范圍內進行試驗，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的*小流量。每個流量點試驗三次，計算其重復性、平均儀表系數和線性度。水流量試驗數據如表 1 所示。
本文實現的數字管道壓縮空氣流量計有效地降低了DN50 液體管道壓縮空氣流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用于液體測量的數字管道壓縮空氣流量計，由試驗數據可知，該數字管道壓縮空氣流量計可實現對小流量液體的測量，拓寬了管道壓縮空氣流量計的量程比。