李慶勇，王洪君

(山東大學(xué)，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

現(xiàn)今用于工業(yè)測(cè)量的流量?jī)x表種類繁多，按照測(cè)量方式的不同可以分為以下四大類：差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和流體振動(dòng)式流量計(jì)。而本文研究的渦街流量計(jì)屬于流體振動(dòng)流量計(jì)的一種，渦街流量計(jì)因具有壓力損失小、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)和量程比寬等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是渦街流量計(jì)也存在一定的缺點(diǎn)，比如在低流速、小流量等情況下，容易受到多種噪聲的干擾，測(cè)量精度較低。為了克服這些弊端，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式高精度的渦街流量計(jì)。系統(tǒng)采用低功耗微處理器MSP430作為系統(tǒng)的控制核心，利用IAPWA-IF97公式對(duì)流體進(jìn)行密度補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。采用看門狗軟件、電源監(jiān)控、軟件濾波等方式來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，證明了設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)具有較高的測(cè)量精度和可靠的穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期。

1 渦街流量計(jì)測(cè)量原理

渦街流量計(jì)檢測(cè)的原理是“卡門渦街原理”，具體就是在流動(dòng)的流體中放置一根與流向垂直的非流線型流體，稱之為漩渦發(fā)生體(阻流體)，漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流體流動(dòng)的速度逐漸加快，雷諾數(shù)Re也逐漸增大，當(dāng)Re達(dá)到40左右時(shí)，就會(huì)在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反、平行參差排列的渦列，稱之為“卡門渦街”。當(dāng)渦街穩(wěn)定時(shí)，渦街頻率f與組流體兩側(cè)的平均流速v之間的關(guān)系為

(1)

式中：St為斯特羅哈爾數(shù)，它是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)；d為阻流體的最大寬度。

由式(1)可知，渦街頻率f與流體的平均流速成正比，因此渦街頻率f與流體的體積流量Q也成正比，利用該種方法就可以測(cè)得管道內(nèi)流體的流量。當(dāng)通過(guò)檢測(cè)元件測(cè)得渦街頻率f，流體的體積流量可以表示為

(2)

式中：S為管道截面積；v為旋渦發(fā)生體兩側(cè)的平均流速；m為漩渦發(fā)生體兩側(cè)流通面積與管道截面積之比。

由式(2)可知，S、m、d、St為給定的已知量，只需測(cè)得渦街頻率f就可以得到待測(cè)流體的體積流量。

2 渦街流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)

渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)主要包括渦街頻率采集電路、溫度采集電路、壓力采集電路以及數(shù)據(jù)處理電路等。由壓電傳感器來(lái)采集漩渦發(fā)生體兩側(cè)流體的頻率，再經(jīng)過(guò)電荷放大器及濾波器之后得到光滑的數(shù)據(jù)曲線，利用MSP430內(nèi)部的脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)渦街頻率f的采集，采用FFT變換采集低流速時(shí)漩渦發(fā)生體兩側(cè)流體的頻率，通過(guò)溫度、壓力傳感器采集流體的溫度、壓力數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)償待測(cè)流體的密度，以此來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 壓電式渦街傳感器數(shù)據(jù)采集電路

壓電式渦街傳感器是由應(yīng)用膜片和壓電晶體組成，實(shí)際檢測(cè)時(shí)將渦街傳感器放置在漩渦發(fā)生體后，當(dāng)漩渦發(fā)生體附近產(chǎn)生漩渦時(shí)，就會(huì)在渦街傳感器表面產(chǎn)生一個(gè)交替的升力，該升力的頻率與漩渦的頻率相同。壓電式渦街傳感器將應(yīng)變力產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號(hào)，產(chǎn)生的電荷信號(hào)的頻率與漩渦的頻率相同，因此通過(guò)壓電式渦街傳感器將流體在漩渦體兩側(cè)產(chǎn)生的漩渦頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被測(cè)量的電荷信號(hào)。

由于壓電式渦街傳感器輸出的信號(hào)中含有各種噪聲信號(hào)，且信號(hào)幅值較小，約幾十mV，為了有效地提取信號(hào)的頻率信息，需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。系統(tǒng)利用高精度、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器TLV2254，其常用于放大壓電式傳感器輸出的微小信號(hào)，電路圖如圖2所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路

將圖2中的Connect+、Connect-接入壓電式傳感器的2個(gè)輸出線，利用雙端輸入的差動(dòng)電荷放大器來(lái)放大傳感器的輸出信號(hào)，其中C34=C33、R43=R42。傳感器輸出的信號(hào)類似于交變的正弦波信號(hào)，C31、C32濾除信號(hào)中的直流信號(hào)，電容C34、C33兩端并聯(lián)反饋電路提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，抑制放大器的零漂。

2.2 低通濾波及限幅放大電路

在對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)也把噪聲信號(hào)放大了，因此需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行濾波處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二階低通濾波器來(lái)濾除系統(tǒng)中的高頻干擾，采用限幅放大器對(duì)低通濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行箝位，提高信噪比。電路圖如圖3所示。

圖3 低通濾波及限幅放大電路

由AD817組成的二階有源濾波器用于濾除信號(hào)中的高頻干擾，AD8610及其阻容器件組成的限幅放大電路用于進(jìn)一步調(diào)整信號(hào)。AD8610的反饋部分并聯(lián)一個(gè)反饋電阻R49和電容C50進(jìn)一步濾波信號(hào)中的干擾，反向輸入端并聯(lián)2個(gè)二極管D1、D2。當(dāng)反向端的輸入信號(hào)高于二極管的門坎電壓時(shí)，信號(hào)直接從二極管流過(guò)；當(dāng)輸入信號(hào)小于二極管的門坎電壓時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋電阻R49、R48放大一定倍數(shù)后再輸出。因此經(jīng)過(guò)限幅電路后輸出的信號(hào)已不再是正弦波信號(hào)，而是方波信號(hào)。最后利用MSP430定時(shí)器的脈沖捕獲模式獲取方波的信號(hào)的頻率，該頻率就是渦街頻率。

2.3 溫度測(cè)量電路

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，需要根據(jù)流體的溫度、壓力值實(shí)時(shí)地對(duì)流體的密度進(jìn)行補(bǔ)償。在溫度測(cè)量上，選用高精度、寬量程的溫度檢測(cè)傳感器Pt1000，其測(cè)溫范圍在-200～850 ℃之間，且靈敏度高，非常適合本系統(tǒng)的測(cè)量要求。在Pt1000溫度檢測(cè)上采用恒壓源供電電橋測(cè)量電路，電橋的輸出電壓與所測(cè)溫度成正比，最終利用MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集電橋的輸出電壓計(jì)算得到所測(cè)溫度值。硬件電路圖如圖4所示。

圖4 溫度檢測(cè)電路

如圖4所示，Pt1000溫度測(cè)量電路用的是電橋測(cè)量法，其中R52、R53、R54均為精密電阻，Pt1000與這3個(gè)電阻組成電橋，當(dāng)電橋平衡時(shí)系統(tǒng)輸出為0，當(dāng)溫度變化時(shí)，Pt1000傳感器內(nèi)部的電阻就會(huì)變化，此時(shí)電橋平衡被破壞，電橋輸出不為0。通過(guò)儀用放大器INA321來(lái)采集電橋輸出的電壓信號(hào)，通過(guò)電阻R55、R56來(lái)調(diào)整放大的增益，最終將電橋輸出信號(hào)調(diào)整在0～3.3 V之間，這樣便于直接利用MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集，最終計(jì)算得待測(cè)流體的溫度。

2.4 壓力測(cè)量電路

壓力測(cè)量電路與溫度測(cè)量電路類似，都是采用儀用放大器INA321來(lái)采集傳感器輸出的電壓信號(hào)。由于管道內(nèi)的壓力小于3.5 MPa，因此本系統(tǒng)最終選擇154CV型壓力傳感器，其壓力測(cè)量范圍在0～3.5 MPa之間，工作溫度為-40～125 ℃，各項(xiàng)參數(shù)非常適合本系統(tǒng)的測(cè)量需要。傳感器采用DC 3.0 V供電，傳感器將收到的壓力信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，再利用MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集，最終計(jì)算得到壓力值，壓力測(cè)量電路圖如圖5所示。

圖5 壓力檢測(cè)電路

當(dāng)檢測(cè)到待測(cè)流體的溫度、壓力值后，利用IAPWA-IF97公式計(jì)算待測(cè)液體密度對(duì)待測(cè)流體進(jìn)行密度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3 渦街流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，開發(fā)工具采用的是IAR Embedded Workbench EW430，它是一款專為MSP430系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效C語(yǔ)言編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)軟件主要包括A/D采樣程序、FFT變換程序、定時(shí)器中斷程序以及MSP430最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行各個(gè)傳感器復(fù)位操作，當(dāng)數(shù)據(jù)處理電路將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理后，利用MSP430內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到相應(yīng)的渦街頻率、溫度、壓力等數(shù)值。在低流速時(shí)，通過(guò)對(duì)壓電式渦街傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行FFT變換，以便準(zhǔn)確地獲得渦街頻率，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，搭建如圖7所示的測(cè)量系統(tǒng)。其中實(shí)驗(yàn)的管道的口徑為25 mm，穩(wěn)壓水源用于產(chǎn)生不同流量的流體，產(chǎn)生的流體流量的范圍在1～20 m3/h之間。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，利用稱重傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度，將標(biāo)準(zhǔn)儀表測(cè)得的數(shù)據(jù)與本文設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓水源和總閥門的開度來(lái)調(diào)整管道中流體的流量，當(dāng)設(shè)定好流量之后，在同流量情況下，利用渦街流量計(jì)采集3次數(shù)據(jù)，每次間隔1 min，比較3次數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，以此來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的重復(fù)性。最終將標(biāo)準(zhǔn)儀表測(cè)得值與設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性，在同一點(diǎn)測(cè)量3次的結(jié)果基本保持一致，系統(tǒng)測(cè)量的相對(duì)誤差小于1%，具有較高的測(cè)量精度，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高精度的渦街流量計(jì)，其創(chuàng)新點(diǎn)就是采用溫度傳感器和壓力傳感器來(lái)采集管道內(nèi)待測(cè)流體的溫度、壓力值，再利用IAPWA-IF97公式補(bǔ)償待測(cè)液體的密度，來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；為了解決低流速時(shí)系統(tǒng)測(cè)量精度低的缺點(diǎn)，利用FFT變換算法對(duì)低流速時(shí)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，解析出低流速時(shí)的渦街頻率。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效地測(cè)出待測(cè)管道中的液體流量，且測(cè)量精度高，誤差小于1%。