渦街流量計智能顯示的開發設計
我國從20世紀70代年初開始研發渦街流量計，到20世紀80代年形成以應力式渦街流量計為主導的產品群，并廣泛應用工業流量測量。從20世紀90年代初期開始，渦街流量計的發展放慢了步伐。由于對這種新型儀表的生產、設計、選型、應用方面的經驗不足，面對各行各業千差萬別的現場和測量對象，有些問題逐步暴露出來。例如：適用對象與測量范圍問題、量程與測量管徑的選擇問題、安裝影響問題、應力式渦街流量計抗現場干擾（包括管道振動和電磁干擾）問題，渦街流量變送器與自控系統的適配問題等等。這些問題導致渦街流量計在部分現場應用不能取得滿意的效果，用戶有意見，設計單位有苦衷，生產企業疲于應急。
經過多年的市場調研和對國內外技術的跟蹤，我們提出了改進渦街信號處理方案，在常規的模擬信號處理方法的基礎上，結合數字信號處理方法，運用頻譜、功率譜技術，對渦街流量傳感器輸出的信號進行有效甄別，剔除混雜的干擾信號，從而提高儀表抗干擾的能力和拓展測量范圍。
目前，渦街流量計正朝著一體化、智能化、數字化的方向發展。國內市場上還未見到基于數字信號處理方式的同類產品，因此，該技術的成功開發應用可使渦街流量計技術水平上有顯著的提升，*也將得到大幅提高。
1、應用數字信號處理方法處理渦街傳感器輸出信號 針對渦街流量計存在的易受現場振動干擾影響，無法保證現場測量精度和量程比受限、不能測量小流量這兩個關鍵技術問題，提出采用數字信號處理方法從含有噪聲的渦街流量傳感器輸出信號中提取流量信息。分別提出采用基于FFT的功率譜分析方法、自適應陷波濾波方法和基于小波變換的方法，去處理渦街流量傳感器輸出信號。
過程工業更多地需要兩線制、低功耗的儀表。針對這一情況，我們提出采用低功耗單片機MSP430F1611做少點數FFT結合硬件模擬濾波器組的信號處理方式，來實現渦街信號的處理，并采取一系列措施，保證測量精度。再設計有效的電流管理和電流輸出模塊，研制出低功耗、兩線制數字渦街流量計，既能從噪聲中提取渦街信號、保證現場測量精度、擴展量程比，又能做到低功耗和兩線制工作。
2、研制基于MCU的低功耗兩線制數字渦街流量計 由于數字信號處理算法比較復雜，需要進行大量的運算，而儀表有實時性的要求，所以，必須采用DSP芯片來完成算法的運算任務。但是，DSP芯片的功耗大，一般工作電流都在100mA以上，不能滿足過程儀表兩線制輸出4～20mA電流的要求。為此，我們用低功耗單片機MSP430F1611做少點數FFT結合硬件模擬濾波器組的信號處理方式，來實現渦街信號的處理，再設計有效的電流管理和電流輸出模塊，既能從噪聲中提取渦街信號、保證現場測量精度、擴展量程比，又能做到低功耗和兩線制工作。
2.1硬件開發
渦街流量計采用低功耗單片機進行少點數快速傅立葉變換（FFT），實現周期圖譜分析，確定渦街信號的頻率值。設計一組硬件帶通濾波器，其通帶覆蓋渦街信號所在的頻帶，根據譜分析結果來選擇具體的帶通濾波器，進行*濾波，zui大限度地消除各種諧波和現場噪聲對測量的影響，提高測量精度。采用數字電位器和運算放大器組成程控放大器，通過峰值檢測確定渦街信號的幅值，調整程控放大器的放大倍數，使信號的幅值達到*范圍，適應大流量和小流量的測量的需要，擴展量程比。選用低功耗的單片機芯片，并設計與之配套的輸出電路和電源管理電路，保證儀表靜態工作電流小于4mA，輸出電流為4～20mA，實現兩線制供電的工作方式。
該系統的硬件框圖如圖1所示，包括壓電傳感器、差分電荷放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開關電路、峰值檢測電路、整形電路、單片機、人機接口電路、4～20mA輸出與電源管理電路、恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數轉換器。
壓電傳感器輸出的電荷信號經過差分電荷放大器轉變為電壓信號，由于幅值非常小，需再經過一級固定的電壓放大器和一級程控放大器。放大后的信號經過低通濾波器，濾除信號中的高頻干擾，然后分為2路。第1路信號由電壓跟隨器（緩沖器）輸出，被單片機自帶的ADC采樣和轉換，變成數字量。單片機對信號進行少點數的FFT，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，來選擇帶通濾波器組的通道。第2路信號送至帶通濾波器組，進行濾波，由單片機的頻譜分析結果來決定輸出某路濾波后的信號。經過帶通濾波器組的輸出信號分為2路。第1路送至峰值檢測電路，峰值檢測電路將信號的峰值送至單片機ADC的輸入端，單片機對信號的峰值進行采樣和轉換，并根據峰值來調整程控放大器的放大倍數，使信號的幅值達到*范圍。第2路送至由比較器組成的整形電路進行整形，整形后的信號送至單片機的定時器輸入端，采用捕獲方式，利用多周期等精度方法進行計數。單片機根據計數結果，將流量信息顯示在LCD上，并通過自身的DAC轉換，送至4～20mA輸出與電源管理電路，經過V/I轉換成4～20mA電流信號輸出。
2.2軟件研制
該系統軟件總體框圖如圖2所示，由主監控程序模塊、保護模塊、中斷模塊、初始化模塊、程控放大器調整模塊、計算模塊、電流輸出模塊和人機接口模塊組成。其中，初始化模塊包括LCD初始化、流體介質和儀表口徑初始化、峰值檢測模塊初始化、4～20mA電流輸出模塊初始化、溫度和壓力補償模塊初始化、掉電保護模塊初始化、流量計算模塊初始化和帶通濾波器選擇初始化。
主監控程序模塊是整個軟件系統的總調度程序，調用各個模塊中的子程序，實現本系統所要求的功能。主監控程序的流程如圖3所示。它是一個循環程序。基本過程為：系統上電后，立即進行初始化；初始化后，首先查詢FFT計算標志位是否置位，若置位，則調用FFT計算模塊，對經過電荷放大、電壓放大、低通濾波和電壓跟隨后的渦街傳感器信號做FFT計算、頻譜分析和校正，估計出zui大能量所在的頻率，根據這個頻率來選擇帶通濾波器，并設置峰值檢測時間的間隔，處理完成后清除標志位；然后，查詢發觸發捕獲信號的標志位是否置位。www.jslkyb.com
2.3HART現場總線通訊功能的加載研制
2.3.1硬件加載
HART通訊電路對功耗和抗干擾要求更高，在保留了智能數字渦街電路信號處理優勢的條件下，針對數字渦街電路的不足，重新設計了硬件平臺，改進兩線電流環電路設計，降低電路輸入電容、電感，使之達到防爆設計要求。同時為了降低功耗，在保證MCU實現數字信號處理功能的條件下，降低MCU工作主頻，實現了HART通訊電路有效加載，達到了設計要求。
2.3.2軟件加載
在保留少點數快速傅立葉變換（FFT），周期圖譜分析等優勢算法的情況下，吸收和優化智能數字渦街程序，消除因降低功耗修改主頻帶來的算法運行上的困難，成功嵌入HART通訊軟件包。
2.4儀表所具備的各種補償功能
與其它智能流量計一樣，針對各種測量介質和復雜的工作狀況，在儀表的軟件開發中，我們賦予儀表各種補償功能。
2.4.1儀表系數K的修正
通常渦街流量計的儀表系數K是通過液體或氣體流量標準裝置在常溫、常壓條件下標定后確定的。如果儀表用于高溫流體（例如蒸汽）測量或用于低雷諾數區域的流量測量時，還用實驗室標定的儀表系數則會產生很大的測量誤差。因此當儀表的工作條件偏離標定條件較遠時需對儀表系數K進行修正。
當雷諾數ReD低于渦街流量計線性工作區時，儀表系數K將出現嚴重的非線性。為了提高低雷諾數區域測量的度，需對儀表系數K進行修正。
2.4.2介質溫度對儀表系數K影響的修正
當渦街流量計測量高溫（例如飽和蒸汽、過熱蒸汽、熱風、熱水等）介質時，儀表的表體（測量管）和發生體都處在高溫介質中，測量管內徑D和發生體的寬度都會由于熱膨脹而改變尺寸，進而影響渦街流量計的儀表系數K，所以測量高溫介質時儀表也具有對儀表系數K進行修正的功能。
2.4.3管徑差異影響的修正
當渦街流量計與配管連接時，渦街流量計測量管內徑與上下游配管的內徑存在差異時，儀表具有對這種差異引起的誤差進行修正的功能。
2.4.4流體工作狀態物性參數的補償
渦街流量計是速度式流量計，它測量的是工作狀態下的體積流量。流體的工作狀態不同時，對于相同的旋渦頻率，所代表的體積流量或質量流量是不同的。在這種情況下，如果不以質量流量或標準狀態體積流量來表示真實的流量，就會出現很大的差異，應對流體的不同工作狀態進行補償。
本流量計對不同狀態的氣體、液體密度，不同組分的氣體密度，不同干度的飽和蒸汽密度，不同狀態的過熱蒸汽密度，不同狀態氣體的壓縮系數都具有補償功能。
3、樣機試制 完成基于MSP430F1611的低功耗智能數字渦街放大器制作后，前后進行樣機實流標定試驗近40臺次，其間針對抗干擾性能設計了特別的實驗（如制造脈動流、管道振動、減少直管段長度、安裝問題等等）。針對出現問題放大器多次修改參數和軟件。樣機驗證工作完成后，液體Φ150以下、氣體Φ25以上流量測量均可達到15～20：1的范圍，液體zui低測量流速可達0.2m/s，氣體zui低測量流速可達2m/s，放大器在通用性、適用性和抗干擾性能上較現有產品有大幅度的提高。
按照JJG1029-2007《渦街流量計檢定規程》的要求我們對樣機進行了全性能型式試驗，樣機均達到各項指標的要求。
根據現行防爆標準的要求完成DBLU型智能數字渦街系列的本安防爆認證工作，達到EXiaⅡCT5的本安防爆等級。
另外，為了保證產品穩定可靠的質量，在滿足基本技術條件的同時在可靠性保證大綱內增加了超載試驗，噪音及振動試驗，變換介質試驗以及*連續工作試驗等項目來進一步確保產品的可靠性。經試驗后也取得了較滿意的效果。
抗干擾性能強，且功能完善的DBLU型智能數字渦街流量計系列產品的研發成功，使渦街流量計跨上了一個新臺階，具有了更廣闊的應用前景。到目前為止已在各種現場應用上1000臺，效果良好，售后服務費用節約大約50%。
