摘 要 將*的信號處理方法和數(shù)字信號處理器（ DSP） 應用于流量計的信號處理, 計算流量信號的頻率和相位差等, 克服目前此類流量計信號處理方法的局限, 提高測量精度和抗*力, 擴大量程比, 實現(xiàn)小流量測量。研制基于智能渦街流量計和V錐流量計二次儀表。
被人們稱為“數(shù)字孔板”的智能渦街流量計, 具有測量精度較高、無活動件、可靠性好、輸出信號頻率與狀態(tài)體積流量成正比等優(yōu)點。近年來發(fā)展速度居流量儀表第二位, 在各行各業(yè)獲得愈來愈廣泛的應用。但是, 智能渦街流量計在應用中還存在兩個關鍵問題沒有解決。一是由于智能渦街流量計工作原理的關系, 它易受外界振動干擾, 而工業(yè)現(xiàn)場的振動是普遍存在的。①管道機械振動干擾: 水泵、閥門的開啟, 大電機的運行等; ②流場干擾: 流場不穩(wěn)定, 在現(xiàn)場直管段長度達不到要求。由于現(xiàn)場振動噪聲的干擾, 使得現(xiàn)場測量誤差遠遠大于實驗室標定誤差, 有時實際測量誤差可達50% 之大。二是量程下限受限, 不能測量小流量。而現(xiàn)場的管道是一定的, 并且, 工藝上對流體的壓力有要求, 不能縮小管道的口徑, 所以,測量小流量是不可避免的。量程下限受限是由于當流量小時, 智能渦街傳感器的輸出信號比較微弱, 易被噪聲淹沒。所以, 上述兩個問題是有內(nèi)在的。這兩個問題影響了智能渦街流量計特點的發(fā)揮, 阻礙它的發(fā)展。

V錐流量計是一種新型流量計, 其特點是: 直接實現(xiàn)質(zhì)量流量的測量, 這是許多工業(yè)應用迫切期待的; 管內(nèi)無障礙物, 便于清洗; 可以同時獲取密度測量值。它是當前發(fā)展為迅速的流量計之一, 具有廣闊的應用前景。V錐流量計也是基于流體振動原理進行工作的。它要求其信號處理電路地測量來自兩個流量傳感器信號的相位差。目前, 其基于模擬電路的信號處理方式（ 放大、濾波、整形和計數(shù)） , 存在如下局限:①對噪聲特別敏感。而工業(yè)現(xiàn)場, 噪聲各種各樣, 干擾是無法避免的。V錐流量計輸出信號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的幅值比較小, 在許多情況下, 并不明顯大于噪聲信號的幅值, 這就限制了V錐流量計的靈敏度, 使得有用信息的獲取十分困難, 導致實際的測量精度達不到指標規(guī)定的精度。②模擬濾波器會改變信號的幅值和相位, 這是不希望產(chǎn)生的結(jié)果。因為兩個信號之間的時間延遲是用來求出處理流體特性的基本信息。③管子的振動頻率受流體密度等因素的影響, 使其不等于驅(qū)動頻率, 以致于傳感器輸出信號的頻率發(fā)生變化以及頻率成分復雜, 二次儀表所測出的是合成波的相差。④測量流體時, 兩個信號的相位差一般小于4°; 當測量氣體時, 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*的信號處理方法和數(shù)字信號處理器（SP） 應用于V錐流量計的信號處理, 計算流量信號的頻率和相位差等, 克服目前上述流量計信號處理方法的局限, 提高測量精度和抗*力, 擴大量程比, 實現(xiàn)多參數(shù)測量和小流量測量。
智能渦街流量計信號處理方法和系統(tǒng)研制的基于DSP 具有譜分析功能的智能渦街流量計信號處理系統(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。
鍵盤輸入完成對系統(tǒng)參數(shù)設定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信RS232 接口使系統(tǒng)可以和微機或單片機進行通信。該系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

流量計中的傳感器（ 例如, 壓電傳感器） 將所感受到流量信號轉(zhuǎn)換成電信號, 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 定時用周期圖譜分析方法對采樣數(shù)據(jù)進行譜分析; 在進行多次功率譜分析的基礎上, 進行平均, 確定出大功率譜值,得到它所對應的頻率, 即為信號的頻率。ADSP2181定時計算信號頻率, 再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度、壓力等補償, 可以得到瞬時流量值等, 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時性的問題: 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算誤差。采用頻譜校正方法提高計算精度。通過分段設置采樣頻率, 以

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

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

明。用HP公司的信號發(fā)生器測試, 基于DSP具有譜分析功能的智能渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)的大相對誤差不大于0. 014% , 測量范圍為2Hz ~2500Hz, 抗*力強。分別在安徽省流量儀表檢定站和ABG儀表集團的標定裝置上, 與合肥儀表總廠和ABG儀表集團的傳感器相配合, 進行了性能測試和現(xiàn)場試驗,線性度為0. 11596%, 重復性為0. 0264575% , 量程比達到1: 15。并與合肥儀表總廠和ABG儀表集團的放大器及二次儀表進行比較, 結(jié)果表明, 我們系統(tǒng)測量下限低（即測量小流量能力強） 、流程比寬、測量精度高和抗*力強。
V錐流量計信號處理方法和系統(tǒng)
研制的基于DSP 的V錐流量計信號處理系統(tǒng)由ADSP2181、信號采集通道、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, 信號采集通道由放大及低通濾波器、溫度檢測電路、多路轉(zhuǎn)換器和采樣/ 保持及模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。鍵盤輸入完成對系統(tǒng)參數(shù)設定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信接口使系統(tǒng)可以和其它微機或單片機進行通信。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、振動過強保護電路、電壓放大電路和功率放大電路組成, 能自動跟蹤流量管固有振動頻率的變化,以此頻率驅(qū)動流量管振動, 并保持振幅穩(wěn)定。

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

以ADSP2181 為處理核心, 采用DFT 方法, 處理流量計信號, 計算出流量管振動基頻的頻率、相位差和幅值, 從而得到準確的質(zhì)量流量。流量計中的傳感器（ 例如, 兩個磁電式傳感器） 將所感受到流量信號轉(zhuǎn)換成電信號; 磁電傳感器的輸出電信號經(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在中斷服務程序中讀入采樣數(shù)據(jù), 送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ADSP2181 定時對采樣數(shù)據(jù)進行處理, 分為測量初始化階段、相位差測量階段和頻率跟蹤階段。
在初始化階段, 只采集1 個傳感器的信號進行粗測和細測, 得到信號頻率的準確值, 以便實現(xiàn)整周期采樣, 保證信號處理的精度。在初始化階段完成后, 就進入相位差測量階段。以信號頻率的整數(shù)倍的頻率, 交叉采集2 個傳感器的信號, 計算其相位差和幅值; 再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度等補償, 可以得到瞬時質(zhì)量流量值等流量數(shù)值。流量管的振動頻率會隨著被測流體密度的不同而發(fā)生變化, 為了確保采樣頻率是信號頻率的整數(shù)倍, 必須定時進行頻率跟蹤。提出一種容易實現(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, 計算功率譜, 通過比較功率譜值的大小, 確定流量管的振動基頻, 調(diào)整采樣頻率, 實現(xiàn)整周期采樣, 保證數(shù)字信號處理的精度。同時, 頻率變化量也反映出流體的密度。將瞬時質(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。傳感器的信號送入激振電路, 產(chǎn)生驅(qū)動信號,送到電磁激振器的線圈, 使流量管振動。