0 引言

    渦街流量計(jì)以其壓力損失小、測(cè)量精度高、量程范圍寬、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單以及性價(jià)比高等特點(diǎn)，越來(lái)越多的被廣大用戶所認(rèn)可和使用[1]。然而，人們?cè)谑褂弥邪l(fā)現(xiàn)雖然它有很多優(yōu)點(diǎn)，但流速較低時(shí)存在測(cè)量不穩(wěn)定的局限性，限制它的使用范圍。針對(duì)渦街傳感器在流量較低時(shí)存在較大非線性特性問(wèn)題，微處理器根據(jù)其輸出特性曲線進(jìn)行非線性校正，擴(kuò)展了流量計(jì)的測(cè)量下限，擴(kuò)大了渦街流量計(jì)的使用范圍。

    1 其所長(zhǎng)系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計(jì)

    1.1 工作原理

    渦街流量計(jì)是基于卡門(mén)渦街原理設(shè)計(jì)的一種流體振動(dòng)式流量計(jì)，即在流動(dòng)的流體中垂直放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體，流體繞過(guò)漩渦發(fā)生體時(shí)，出現(xiàn)附面層分離，在漩渦發(fā)生體的左右兩側(cè)后方會(huì)交替產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦，即卡門(mén)渦街，當(dāng)兩漩渦列之間的距離和同列的兩個(gè)漩渦之間的距離L滿足公式h/L=0.281時(shí)，其漩渦頻率正比于來(lái)流速度：

    （1）

    式中，f為渦街頻率；u為來(lái)流速度；d為漩渦發(fā)生體寬度；st為斯特勞哈爾數(shù)。st與漩渦發(fā)生體寬度d及雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)Re在2×104～7×106的范圍內(nèi)，St基本保持不變。

    式（1）表明，當(dāng)d與St為定值時(shí)，漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u(mài)成正比，渦街流量計(jì)就是根據(jù)上述原理進(jìn)行流量測(cè)量的。由于渦街傳感器所測(cè)的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。對(duì)于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進(jìn)而說(shuō)明渦街流量傳感器檢測(cè)到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是確定的。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測(cè)機(jī)理所決定的[2]。在實(shí)際使用時(shí)，先測(cè)出傳感器的儀表系數(shù)k與頻率f的試驗(yàn)曲線F（f）：

    （2）

    式中，G（f）為同一口徑的渦街傳感器具有的相同特性曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行分段線性處理，并固化在流量計(jì)中，實(shí)現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。

    1.2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

    系統(tǒng)主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號(hào)調(diào)理模塊，人機(jī)交互模塊，RS485通信模塊、4mA-20mA電流環(huán)模塊、頻率輸出模塊以及電源與掉電檢測(cè)模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　智能渦街流量計(jì)系統(tǒng)框圖

    渦街傳感器信號(hào)調(diào)理模塊是將傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行濾波與放大，再經(jīng)過(guò)由運(yùn)放和電阻組成的比較器電路進(jìn)行整形，轉(zhuǎn)換為MSP430F435可以測(cè)量的方波信號(hào)。

    人機(jī)交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤(pán)組成，主要用于渦街流量計(jì)菜單設(shè)置，完成累積流量和瞬時(shí)流量的實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表系數(shù)等參數(shù)的校正和修改。

    RS485通信模塊主要用于將累積流量和瞬時(shí)流量等重要的參數(shù)傳遞給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，方便用戶即時(shí)了解流量計(jì)的信息。

    4-20mA電流環(huán)模塊主要用于將瞬時(shí)流量的數(shù)值轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，方便了瞬時(shí)流量信號(hào)的遠(yuǎn)傳，提高了儀表的兼容性。

    頻率輸出模塊主要是將累積流量的數(shù)值轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，方便了對(duì)累積流量的測(cè)量，提高了儀表的兼容性。

    電源模塊將儀表安裝現(xiàn)場(chǎng)提供的24V直流電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測(cè)模塊能對(duì)外部電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)掉電瞬間產(chǎn)生中斷，并在中斷程序中完成對(duì)累積流量等重要數(shù)據(jù)的保存。電源切換電路主要功能是實(shí)現(xiàn)電池和24V直流電源之間的自動(dòng)切換。當(dāng)外接有24V直流電源時(shí)，電池供電回路不會(huì)接通，可以延長(zhǎng)電池的壽命；當(dāng)沒(méi)有外接24V直流電源時(shí)，電池供電回路自動(dòng)接通，避免了數(shù)據(jù)的丟失。    

    2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用16位嵌入式微處理器MSP430F435為控制核心，MSP430F435是TI公司面向低功耗儀表領(lǐng)域的推出的16位微處理器，工作電壓范圍為1.8～3.6V[3]，微處理器內(nèi)部具有兩個(gè)通用定時(shí)器、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部用戶可編程Flash存儲(chǔ)器以及兩個(gè)UART通用串行接口等先進(jìn)外設(shè)，剛好滿足本流量計(jì)的要求。

    2.1　信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

    渦街傳感器輸出頻率信號(hào)的變化范圍為5～600Hz，信號(hào)的***小幅度為0.2mV左右。    

圖2　傳感器信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖

    由于提取的是頻率信號(hào)，如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號(hào)經(jīng)前置放大電路、低通濾波電路、后置限幅放大電路、比較器整形電路轉(zhuǎn)換為微處理器可以識(shí)別的TTL方波信號(hào)，送入MSP430F435的定時(shí)器捕捉端口進(jìn)行頻率測(cè)量。

    2.2　掉電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

    電源掉電模塊設(shè)計(jì)采用MAXIM公司的MAX9017電壓比較器，芯片自帶1.236V高精度電壓基準(zhǔn)源。電源電壓經(jīng)電阻分壓后與高精度基準(zhǔn)電壓比較，分壓后的電壓低于基準(zhǔn)電壓源時(shí)，MAX9017輸出端產(chǎn)生正跳變，從而引起中斷，在中斷程序中，微處理器將累積流量等重要數(shù)據(jù)保存在MSP430F435內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器中。    

    2.3　4-20mA電流環(huán)模塊設(shè)計(jì)

    4-20mA電流環(huán)模塊采用美國(guó)ADI公司的AD421芯片。該芯片是一款高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它由電流環(huán)路供電，可以將串行輸入的16位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4—20mA電流信號(hào)。它內(nèi)部含有電壓調(diào)整器，可以提供+5V、+3.3V或+3V輸出電壓，可為其自身或其它電路選用。AD421采用ΣΔDAC結(jié)構(gòu)，保證16位的分辨率和單調(diào)性，其積分線性誤差為±0.01%，增益誤差為±0.2%，其標(biāo)準(zhǔn)的三線串行接口可以在10Mbit/s下運(yùn)行，便于與微處理器相連?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)AD421被廣泛應(yīng)用在智能變送器的設(shè)計(jì)中[4]。

    4-20mA電流環(huán)模塊如圖3所示。為了提高系統(tǒng)的可靠，AD421經(jīng)光耦隔離后與微處理器MSP430F435相連。耗盡型場(chǎng)效應(yīng)2SK30A的作用是為電路提供電源電壓VCC，該電壓的大小由LV引腳的連接情況決定。圖中LV經(jīng)一個(gè)0.01uF的電容與VCC相連，保證芯片的電源電壓輸出為+3.3V。該電源電壓不僅可以用于AD421自身，還可以為系統(tǒng)的其它模塊供電。晶體管9014的作用是減小場(chǎng)效應(yīng)管2SK30A的負(fù)載，為流經(jīng)BST引腳的電流提供一條回路。    

圖3　4mA—20mA電流環(huán)模塊結(jié)構(gòu)圖    

    2.4　RS485通信模塊的設(shè)計(jì)

    RS通信模塊采用MAXIM公司的MAX487芯片。該芯片通過(guò)快速光耦6N137與微處理器MSP430F435相連，可以防止通信模塊中的干擾進(jìn)入微處理器電路，提高系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)中，MSP430F435的供電電壓為+3.3V，而MAX487的工作電壓為+5V，因此快速光耦6N137還起到了電平轉(zhuǎn)換的功能。通過(guò)RS485通信模塊，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以方便、及時(shí)的了解流量計(jì)的流量參數(shù)。

    2.5　頻率輸出模塊設(shè)計(jì)

    頻率輸出模塊主要由微處理器的定時(shí)器B和晶體管9014組成。定時(shí)器B工作在PWM方式，用來(lái)產(chǎn)生需要的頻率信號(hào)。該信號(hào)輸出到晶體管9014的基極，用來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通與截止，從而實(shí)現(xiàn)頻率的輸出。

    3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要以下部分組成：1）測(cè)頻子程序：負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)頻率的測(cè)量；2）“心跳”程序：實(shí)現(xiàn)非線性校正、累積計(jì)算、4-20mA電流輸出和頻率信號(hào)輸出；3）RS485通信子程序：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)RS485可以隨時(shí)讀取流量計(jì)的參數(shù)；4）掉電保護(hù)子程序；5）菜單設(shè)置程序：當(dāng)有按鍵按下時(shí)，可以對(duì)流量計(jì)進(jìn)行本地參數(shù)設(shè)置和修改。    

    系統(tǒng)上電復(fù)位后，MSP430F435首先完成各模塊初始化，之后便進(jìn)入低功耗模式LPM3。通過(guò)中斷喚醒MCU方式執(zhí)行相應(yīng)功能模塊，中斷完成后恢復(fù)低功耗模式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

    3.1　非線性校正算法設(shè)計(jì)

    采用分段線性化的非線性校正方法，首先通過(guò)試驗(yàn)的方法獲取傳感器輸出頻率與儀表系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后對(duì)該曲線進(jìn)行合適的分段，每一段曲線可近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點(diǎn)對(duì)應(yīng)被測(cè)頻率信號(hào)分別為F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，?Fm，傳感器對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)為K0，K1，K2?Km，其中F0、Fm分別對(duì)應(yīng)被測(cè)頻率***小值與***大值。顯然曲線上任一點(diǎn)P（f，k）可由分段直線段上的點(diǎn)近似表示，則有：

    （3）

    式（3）就是得到的兩點(diǎn)式分段直線校正方程。系統(tǒng)上電初始化時(shí)先依次把端點(diǎn)數(shù)據(jù)（Fi，Ki）（其中i=0，1，2，?，m）讀入內(nèi)存，在校準(zhǔn)時(shí)，先要判斷當(dāng)前測(cè)得頻率f位于哪一個(gè)直線段，再根據(jù)相應(yīng)的直線段校正參數(shù)，由插值法求出相應(yīng)的儀表系數(shù)。

    渦街傳感器非線性校正與流量計(jì)算在看門(mén)狗定時(shí)“心跳”中斷程序中實(shí)現(xiàn)，具體軟件流程圖如圖5所示。     

圖5　非線性校正算法流程圖    

一、產(chǎn)品概述：
   LS-LUGB型渦街流量計(jì)可以測(cè)量各種飽和蒸汽、高溫蒸汽、高壓蒸汽，是針對(duì)蒸汽測(cè)量工作而研發(fā)的新一代產(chǎn)品。工業(yè)管道中蒸汽流體的流量測(cè)量，具有壓力損失小、量程范圍大、測(cè)量精度高，在測(cè)量時(shí)不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。解決了傳感器不能高溫測(cè)量，以及日常維護(hù)不方便等問(wèn)題。采用壓電應(yīng)力式傳感器,性能穩(wěn)定，可靠性高，可在-20℃～+300℃的工作溫度范圍內(nèi)工作?？梢酝瑫r(shí)輸出模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、脈沖信號(hào)、通訊接口，方便與計(jì)算機(jī)數(shù)字系統(tǒng)配套使用。

二、工作原理：

在流體中設(shè)置三角柱型旋渦發(fā)生體，則從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡門(mén)渦街，如圖(一)所示。

圖(一)旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為V，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式:

f=St.V/〔（1-1.25d/D）d〕                

式中：f－發(fā)生體一側(cè)產(chǎn)生的卡門(mén)旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數(shù)

V－流體的平均流速

d－柱體流面寬度

D-管道內(nèi)徑

在漩渦發(fā)生體中裝入電容檢測(cè)探頭或壓電檢測(cè)探頭及相應(yīng)匹配電路，即可構(gòu)成電容檢測(cè)式渦街流量/傳感器或壓電檢測(cè)式渦街流量傳感器。

圖（二）

在曲線表中St＝0.17的平直部分，漩渦的釋放頻率與流速成正比,即為渦街流量傳感器測(cè)量范圍度。只要檢測(cè)出頻率f就可以求得管內(nèi)流體的流速，由流速V求出體積流量。

Q＝3600f/K或M=ρ3600 f/K                                        

式中：K＝儀表常數(shù)（1/m³）。

M=質(zhì)量流量

Q＝體積流量（m³/h）

ρ=介質(zhì)密度（kg/m³）

F=頻率Hz    【渦街流量計(jì)壓力損失小，量程范圍寬】
三、渦街流量計(jì)技術(shù)參數(shù)：
測(cè)量精度：液體1.0級(jí)、氣體1.5級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)流量范圍內(nèi)）
重復(fù)性：0.2%、0.3%；
公稱通徑：DN50mm-DN500mm
流量范圍度：擴(kuò)展流量范圍：液體20:1、氣體15:1，標(biāo)準(zhǔn)流量范圍：液體10:1、氣體8:1
工作壓力：1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.0MPa
介質(zhì)溫度：-200-+400℃
壓力損失：阻力系數(shù)Cd≤2.4
供電電源：12~24V DC
輸出信號(hào)：電壓脈沖：低電平≤1V 高電平≥6V,4~20mA DC
防護(hù)等級(jí)：IP65，可選IP68

四、渦街流量計(jì)選型   【渦街流量計(jì)壓力損失小，量程范圍寬】

    4　結(jié)束語(yǔ)    

    該智能渦街流量計(jì)充分利用微處理器MSP430F435內(nèi)部模塊，減少了外圍模塊的數(shù)量，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用智能非線性校正，擴(kuò)展了流量計(jì)的量程比；具有頻率輸出、4-20mA電流輸出和RS485數(shù)據(jù)通訊功能，提高了系統(tǒng)的兼容性。