基于MSP430的移动式高精度涡街流量计的设计

李庆勇，王洪君

(山东大学，山东济南 250100)

0 引言

现今用于工业测量的流量仪表种类繁多，按照测量方式的不同可以分为以下四大类：差压式流量计、容积式流量计、超声波流量计和流体振动式流量计。而本文研究的涡街流量计属于流体振动流量计的一种，涡街流量计因具有压力损失小、可靠性高、适应性强和量程比宽等优点，得到了越来越广泛的应用。但是涡街流量计也存在一定的缺点，比如在低流速、小流量等情况下，容易受到多种噪声的干扰，测量精度较低。为了克服这些弊端，本文设计了一种便携式高精度的涡街流量计。系统采用低功耗微处理器MSP430作为系统的控制核心，利用IAPWA-IF97公式对流体进行密度补偿，提高系统的测量精度。采用看门狗软件、电源监控、软件滤波等方式来提高系统的稳定性。通过实验验证和数据分析，证明了设计的涡街流量计具有较高的测量精度和可靠的稳定性，达到了设计的预期。

1 涡街流量计测量原理

涡街流量计检测的原理是“卡门涡街原理”，具体就是在流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线型流体，称之为漩涡发生体(阻流体)，漩涡发生体两侧的流体流动的速度逐渐加快，雷诺数Re也逐渐增大，当Re达到40左右时，就会在漩涡发生体下游产生两列旋转方向相反、平行参差排列的涡列，称之为“卡门涡街”。当涡街稳定时，涡街频率f与组流体两侧的平均流速v之间的关系为

(1)

式中：St为斯特罗哈尔数，它是一个无量纲常数；d为阻流体的最大宽度。

由式(1)可知，涡街频率f与流体的平均流速成正比，因此涡街频率f与流体的体积流量Q也成正比，利用该种方法就可以测得管道内流体的流量。当通过检测元件测得涡街频率f，流体的体积流量可以表示为

(2)

式中：S为管道截面积；v为旋涡发生体两侧的平均流速；m为漩涡发生体两侧流通面积与管道截面积之比。

由式(2)可知，S、m、d、St为给定的已知量，只需测得涡街频率f就可以得到待测流体的体积流量。

2 涡街流量计硬件设计

涡街流量计的硬件设计主要包括涡街频率采集电路、温度采集电路、压力采集电路以及数据处理电路等。由压电传感器来采集漩涡发生体两侧流体的频率，再经过电荷放大器及滤波器之后得到光滑的数据曲线，利用MSP430内部的脉冲计数器实现涡街频率f的采集，采用FFT变换采集低流速时漩涡发生体两侧流体的频率，通过温度、压力传感器采集流体的温度、压力数据来补偿待测流体的密度，以此来提高系统的测量精度。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2.1 压电式涡街传感器数据采集电路

压电式涡街传感器是由应用膜片和压电晶体组成，实际检测时将涡街传感器放置在漩涡发生体后，当漩涡发生体附近产生漩涡时，就会在涡街传感器表面产生一个交替的升力，该升力的频率与漩涡的频率相同。压电式涡街传感器将应变力产生的信号转换为相应的电荷信号，产生的电荷信号的频率与漩涡的频率相同，因此通过压电式涡街传感器将流体在漩涡体两侧产生的漩涡频率信号转换为可被测量的电荷信号。

由于压电式涡街传感器输出的信号中含有各种噪声信号，且信号幅值较小，约几十mV，为了有效地提取信号的频率信息，需要对传感器输出的信号进行放大和滤波。系统利用高精度、低失调电压的运算放大器TLV2254，其常用于放大压电式传感器输出的微小信号，电路图如图2所示。

图2 传感器数据采集电路

将图2中的Connect+、Connect-接入压电式传感器的2个输出线，利用双端输入的差动电荷放大器来放大传感器的输出信号，其中C34=C33、R43=R42。传感器输出的信号类似于交变的正弦波信号，C31、C32滤除信号中的直流信号，电容C34、C33两端并联反馈电路提供稳定的直流工作点，抑制放大器的零漂。

2.2 低通滤波及限幅放大电路

在对传感器信号进行放大的同时也把噪声信号放大了，因此需要对此信号进行滤波处理，系统设计了二阶低通滤波器来滤除系统中的高频干扰，采用限幅放大器对低通滤波器输出的信号进行箝位，提高信噪比。电路图如图3所示。

图3 低通滤波及限幅放大电路

由AD817组成的二阶有源滤波器用于滤除信号中的高频干扰，AD8610及其阻容器件组成的限幅放大电路用于进一步调整信号。AD8610的反馈部分并联一个反馈电阻R49和电容C50进一步滤波信号中的干扰，反向输入端并联2个二极管D1、D2。当反向端的输入信号高于二极管的门坎电压时，信号直接从二极管流过；当输入信号小于二极管的门坎电压时，信号经过反馈电阻R49、R48放大一定倍数后再输出。因此经过限幅电路后输出的信号已不再是正弦波信号，而是方波信号。最后利用MSP430定时器的脉冲捕获模式获取方波的信号的频率，该频率就是涡街频率。

2.3 温度测量电路

为了进一步提高系统的测量精度，需要根据流体的温度、压力值实时地对流体的密度进行补偿。在温度测量上，选用高精度、宽量程的温度检测传感器Pt1000，其测温范围在-200～850 ℃之间，且灵敏度高，非常适合本系统的测量要求。在Pt1000温度检测上采用恒压源供电电桥测量电路，电桥的输出电压与所测温度成正比，最终利用MSP430内部的A/D转换器采集电桥的输出电压计算得到所测温度值。硬件电路图如图4所示。

图4 温度检测电路

如图4所示，Pt1000温度测量电路用的是电桥测量法，其中R52、R53、R54均为精密电阻，Pt1000与这3个电阻组成电桥，当电桥平衡时系统输出为0，当温度变化时，Pt1000传感器内部的电阻就会变化，此时电桥平衡被破坏，电桥输出不为0。通过仪用放大器INA321来采集电桥输出的电压信号，通过电阻R55、R56来调整放大的增益，最终将电桥输出信号调整在0～3.3 V之间，这样便于直接利用MSP430内部的A/D转换器采集，最终计算得待测流体的温度。

2.4 压力测量电路

压力测量电路与温度测量电路类似，都是采用仪用放大器INA321来采集传感器输出的电压信号。由于管道内的压力小于3.5 MPa，因此本系统最终选择154CV型压力传感器，其压力测量范围在0～3.5 MPa之间，工作温度为-40～125 ℃，各项参数非常适合本系统的测量需要。传感器采用DC 3.0 V供电，传感器将收到的压力信号成比例地转换为相应的电压信号，再利用MSP430内部的A/D转换进行采集，最终计算得到压力值，压力测量电路图如图5所示。

图5 压力检测电路

当检测到待测流体的温度、压力值后，利用IAPWA-IF97公式计算待测液体密度对待测流体进行密度补偿，进一步提高系统的测量精度。

3 涡街流量计软件设计

系统软件采用C语言编写，开发工具采用的是IAR Embedded Workbench EW430，它是一款专为MSP430系统单片机设计的高效C语言编译器，符合ANSI标准。系统软件主要包括A/D采样程序、FFT变换程序、定时器中断程序以及MSP430最小系统程序等。系统上电后，首先执行各个传感器复位操作，当数据处理电路将传感器输出的信号进行放大滤波处理后，利用MSP430内部的A/D转换器进行模数转换，计算得到相应的涡街频率、温度、压力等数值。在低流速时，通过对压电式涡街传感器的输出信号进行FFT变换，以便准确地获得涡街频率，提高系统检测精度。系统软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

4 实验数据分析

为了进一步验证系统检测的准确性及稳定性，搭建如图7所示的测量系统。其中实验的管道的口径为25 mm，稳压水源用于产生不同流量的流体，产生的流体流量的范围在1～20 m3/h之间。实际试验时，利用称重传感器对标准仪表进行校准，提高系统的检测精度，将标准仪表测得的数据与本文设计的涡街流量计测得的数据进行对比，以此验证系统测量的准确性。

图7 实验装置示意图

通过调节稳压水源和总阀门的开度来调整管道中流体的流量，当设定好流量之后，在同流量情况下，利用涡街流量计采集3次数据，每次间隔1 min，比较3次数据的波动情况，以此来说明系统的重复性。最终将标准仪表测得值与设计的涡街流量计测得数据进行对比，实验数据如表1所示。

由表1测试数据可知，系统具有良好的重复性，在同一点测量3次的结果基本保持一致，系统测量的相对误差小于1%，具有较高的测量精度，满足系统的设计要求。

表1 测试数据

5 结束语

本文设计了一种高精度的涡街流量计，其创新点就是采用温度传感器和压力传感器来采集管道内待测流体的温度、压力值，再利用IAPWA-IF97公式补偿待测液体的密度，来提高系统的测量精度；为了解决低流速时系统测量精度低的缺点，利用FFT变换算法对低流速时传感器输出的信号进行处理，解析出低流速时的涡街频率。实际测试结果表明，系统能有效地测出待测管道中的液体流量，且测量精度高，误差小于1%。