摘 要 将先进的信号处理方法和数字信号处理器（ DSP） 应用于流量计的信号处理, 计算流量信号的频率和相位差等, 克服目前此类流量计信号处理方法的局限, 提高测量和抗干扰能力, 扩大量程比, 实现小流量测量。研制基于智能涡街流量计和V锥流量计二次仪表。
被人们称为“数字孔板”的智能涡街流量计, 具有测量较高、无活动件、可靠性好、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点。近年来发展速度居流量仪表第二位, 在各行各业获得愈来愈广泛的应用。但是, 智能涡街流量计在应用中还存在两个关键问题没有解决。一是由于智能涡街流量计工作原理的关系, 它易受外界振动干扰, 而工业现场的振动是普遍存在的。①管道机械振动干扰: 水泵、阀门的开启, 大电机的运行等; ②流场干扰: 流场不稳定, 在现场直管段长度达不到要求。由于现场振动噪声的干扰, 使得现场测量误差远远大于实验室标定误差, 有时实际测量误差可达50% 之大。二是量程下限受限, 不能测量小流量。而现场的管道是一定的, 并且, 工艺上对流体的压力有要求, 不能缩小管道的口径, 所以,测量小流量是不可避免的。量程下限受限是由于当流量小时, 智能涡街传感器的输出信号比较微弱, 易被噪声淹没。所以, 上述两个问题是有内在联系的。这两个问题影响了智能涡街流量计特点的发挥, 阻碍它的发展。
V锥流量计是一种新型流量计, 其特点是: 直接实现质量流量的测量, 这是许多工业应用迫切期待的; 管内无障碍物, 便于清洗; 可以同时获取密度测量值。它是当前发展最为迅速的流量计之一, 具有广阔的应用前景。V锥流量计也是基于流体振动原理进行工作的。它要求其信号处理电路地测量来自两个流量传感器信号的相位差。目前, 其基于模拟电路的信号处理方式（ 放大、滤波、整形和计数） , 存在如下局限:①对噪声特别敏感。而工业现场, 噪声各种各样, 干扰是无法避免的。V锥流量计输出信号的频率落入许多工业噪声的频率范围, 而且传感器输出信号的幅值比较小, 在许多情况下, 并不明显大于噪声信号的幅值, 这就限制了V锥流量计的灵敏度, 使得有用信息的获取十分困难, 导致实际的测量达不到指标规定的。②模拟滤波器会改变信号的幅值和相位, 这是不希望产生的结果。因为两个信号之间的时间延迟是用来求出处理流体特性的基本信息。③管子的振动频率受流体密度等因素的影响, 使其不等于驱动频率, 以致于传感器输出信号的频率发生变化以及频率成分复杂, 二次仪表所测出的是合成波的相差。④测量流体时, 两个信号的相位差一般小于4°; 当测量气体时, 由于气体产生的科里奥利力小, 故相差更小, 处理更为困难。
为此, 本文将先进的信号处理方法和数字信号处理器（SP） 应用于V锥流量计的信号处理, 计算流量信号的频率和相位差等, 克服目前上述流量计信号处理方法的局限, 提高测量和抗干扰能力, 扩大量程比, 实现多参数测量和小流量测量。
智能涡街流量计信号处理方法和系统研制的基于DSP 具有谱分析功能的智能涡街流量计信号处理系统由ADSP2181（AD公司的DSP芯片）处理器、前向输入通道、模拟量输出电路、键盘输入电路、保护电路、串行通信接口、液晶显示（ LCD） 、模拟量输出以及软件组成。前向输入通道由电荷放大器、程控放大器、抗混叠滤波器、模/ 数转换器组成。
键盘输入完成对系统参数设定、显示内容选择的功能。串行通信RS232 接口使系统可以和微机或单片机进行通信。该系统的硬件框图如图1所示。
流量计中的传感器（ 例如, 压电传感器） 将所感受到流量信号转换成电信号, 经过电荷放大器、程控放大器和抗混叠滤波器, 送到模/ 数转换器; 模/ 数转换器与ADSP2181 之间的通信方式为中断方式。采样数据在中断服务程序中送入ADSP2181 数据存贮器的环形数据缓冲区。ADSP2181 定时用周期图谱分析方法对采样数据进行谱分析; 在进行多次功率谱分析的基础上, 进行平均, 确定出功率谱值,得到它所对应的频率, 即为信号的频率。ADSP2181定时计算信号频率, 再根据仪表参数和通过温度、压力等补偿, 可以得到瞬时流量值等, 送入指定数据缓冲区, 供LCD 显示、模拟量输出等。也可通过积算,给出累积流量。该系统的软件框图如图2 所示。
采取一系列措施解决处理和实时性的问题: 通过选取合适的频率分辨率来控制非整周期采样所造成的计算误差。采用频谱校正方法提高计算。通过分段设置采样频率, 以
及通过计算信号的幅值来调整程控放大器的增益, 使处理信号的范围扩大到2~2500Hz。定时计算, 边计算边采样, 利用环形数据缓冲区, 将采样的数据刷新队列里最老的数据
, 每次计算都用采样的数据。在2秒中作20 次谱分析, 去掉两个数据、两个数据, 取其平均值后, 送LCD 显示。做到处理实时,显示及时, 结果稳定。已申报了国家发
明。用HP公司的信号发生器测试, 基于DSP具有谱分析功能的智能涡街流量计数字信号处理系统的相对误差不大于0. 014% , 测量范围为2Hz ~2500Hz, 抗干扰能力强。分别在安徽省流量仪表检定站和ABG仪表集团的标定装置上, 与合肥仪表总厂和ABG仪表集团的传感器相配合, 进行了性能测试和现场试验,线性度为0. 11596%, 重复性为0. 0264575% , 量程比达到1: 15。并与合肥仪表总厂和ABG仪表集团的放大器及二次仪表进行比较, 结果表明, 我们系统测量下限低（即测量小流量能力强） 、流程比宽、测量高和抗干扰能力强。
V锥流量计信号处理方法和系统
研制的基于DSP 的V锥流量计信号处理系统由ADSP2181、信号采集通道、逻辑控制电路、LCD 电路、键盘输入电路、串行通信电路、4~20mA 输出电路和激振电路以及软件组成, 其系统硬件如图3 所示。其中, 信号采集通道由放大及低通滤波器、温度检测电路、多路转换器和采样/ 保持及模/ 数转换电路组成。键盘输入完成对系统参数设定、显示内容选择的功能。串行通信接口使系统可以和其它微机或单片机进行通信。激振电路由电压跟随、放大滤波电路、整流电路、增益控制电路、乘法电路、振动过强保护电路、电压放大电路和功率放大电路组成, 能自动跟踪流量管固有振动频率的变化,以此频率驱动流量管振动, 并保持振幅稳定。

系统软件包括监控程序、中断服务模块、外部中断服务模块、定时中断服务模块、初始化模块、相位差测量模块、频率跟踪模块、键盘监控模块、显示模块、通信模块、温度补偿模块和延时子程序, 如图4所示。

以ADSP2181 为处理, 采用DFT 方法, 处理流量计信号, 计算出流量管振动基频的频率、相位差和幅值, 从而得到准确的质量流量。流量计中的传感器（ 例如, 两个磁电式传感器） 将所感受到流量信号转换成电信号; 磁电传感器的输出电信号经过放大和滤波器、多路转换器, 送到模/ 数转换器; ADSP2181与模/ 数转换器之间用中断方式通信。ADSP2181在中断服务程序中读入采样数据, 送入数据缓冲区。ADSP2181 定时对采样数据进行处理, 分为测量初始化阶段、相位差测量阶段和频率跟踪阶段。
在初始化阶段, 只采集1 个传感器的信号进行粗测和细测, 得到信号频率的准确值, 以便实现整周期采样, 保证信号处理的。在初始化阶段完成后, 就进入相位差测量阶段。以信号频率的整数倍的频率, 交叉采集2 个传感器的信号, 计算其相位差和幅值; 再根据仪表参数和通过温度等补偿, 可以得到瞬时质量流量值等流量数值。流量管的振动频率会随着被测流体密度的不同而发生变化, 为了确保采样频率是信号频率的整数倍, 必须定时进行频率跟踪。提出一种容易实现的、较高的频率跟踪方法, 在一定的频率范围内,变化采样频率, 计算功率谱, 通过比较功率谱值的大小, 确定流量管的振动基频, 调整采样频率, 实现整周期采样, 保证数字信号处理的。同时, 频率变化量也反映出流体的密度。将瞬时质量流量和密度送入指定数据缓冲区, 供LCD显示、模拟量输出等。也可通过积算, 给出累积质量流量。传感器的信号送入激振电路, 产生驱动信号,送到电磁激振器的线圈, 使流量管振动。

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