0 引言

    渦街流量計(jì)以其壓力損失小、測量精度高、量程范圍寬、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單以及性價(jià)比高等特點(diǎn)，越來越多的被廣大用戶所認(rèn)可和使用[1]。然而，人們在使用中發(fā)現(xiàn)雖然它有很多優(yōu)點(diǎn)，但流速較低時存在測量不穩(wěn)定的局限性，限制它的使用范圍。針對渦街傳感器在流量較低時存在較大非線性特性問題，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)的測量下限，擴(kuò)大了渦街流量計(jì)的使用范圍。

    1 其所長系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計(jì)

    1.1 工作原理

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

    （1）

    式中，f為渦街頻率；u為來流速度；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，漩渦產(chǎn)生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計(jì)就是根據(jù)上述原理進(jìn)行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，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)而說明渦街流量傳感器檢測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。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機(jī)理所決定的[2]。在實(shí)際使用時，先測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

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

    人機(jī)交互模塊主要由液晶顯示屏和鍵盤組成，主要用于渦街流量計(jì)菜單設(shè)置，完成累積流量和瞬時流量的實(shí)時顯示，并通過該模塊實(shí)現(xiàn)了對儀表系數(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)，方便用戶即時了解流量計(jì)的信息。

    4-20mA電流環(huán)模塊主要用于將瞬時流量的數(shù)值轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電流信號，方便了瞬時流量信號的遠(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)換成與之對應(yīng)的頻率信號，方便了對累積流量的測量，提高了儀表的兼容性。

    電源模塊將儀表安裝現(xiàn)場提供的24V直流電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓提供給其他電路模塊。掉電檢測模塊能對外部電源電壓進(jìn)行監(jiān)測，在系統(tǒng)掉電瞬間產(chǎn)生中斷，并在中斷程序中完成對累積流量等重要數(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切換。當(dāng)外接有24V直流電源時，電池供電回路不會接通，可以延長電池的壽命；當(dāng)沒有外接24V直流電源時，電池供電回路自動接通，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)部具有兩個通用定時器、一個看門狗定時器、一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部用戶可編程Flash存儲器以及兩個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　信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

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

圖2　傳感器信號調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖

    由于提取的是頻率信號，如圖2所示，傳感器輸出的微弱信號經(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別的TTL方波信號，送入MSP430F435的定時器捕捉端口進(jìn)行頻率測量。

    2.2　掉電檢測模塊設(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，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)字信號轉(zhuǎn)換成4—20mA電流信號。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RS485通信模塊，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以方便、及時的了解流量計(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器B和晶體管9014組成。定時器B工作在PWM方式，用來產(chǎn)生需要的頻率信號。該信號輸出到晶體管9014的基極，用來控制晶體管的導(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）測頻子程序：負(fù)責(zé)傳感器信號頻率的測量；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輸出；3）RS485通信子程序：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過RS485可以隨時讀取流量計(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，可以對流量計(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，首先通過試驗(yàn)的方法獲取傳感器輸出頻率與儀表系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，然后對該曲線進(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)對應(yīng)被測頻率信號分別為F0，F(xiàn)1，F(xiàn)2，?Fm，傳感器對應(yīng)的儀表系數(shù)為K0，K1，K2?Km，其中F0、Fm分別對應(yīng)被測頻率***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，先要判斷當(dāng)前測得頻率f位于哪一個直線段，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)算在看門狗定時“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)可以測量各種飽和蒸汽、高溫蒸汽、高壓蒸汽，是針對蒸汽測量工作而研發(fā)的新一代產(chǎn)品。工業(yè)管道中蒸汽流體的流量測量，具有壓力損失小、量程范圍大、測量精度高，在測量時不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。解決了傳感器不能高溫測量，以及日常維護(hù)不方便等問題。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輸出模擬標(biāo)準(zhǔn)信號、脈沖信號、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，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖(一)所示。

圖(一)旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為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探頭或壓電檢測探頭及相應(yīng)匹配電路，即可構(gòu)成電容檢測式渦街流量/傳感器或壓電檢測式渦街流量傳感器。

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量范圍度。只要檢測出頻率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)：
測量精度：液體1.0級、氣體1.5級（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：電壓脈沖：低電平≤1V 高電平≥6V,4~20mA DC
防護(hù)等級：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】

代號	通徑	流量范圍㎡/h
LS-LUGB-25	DN25	1~10(液體)			25~60（氣體）			蒸汽流量請查看說明書，DN300以上使用插入式渦街流量計(jì)
LS-LUGB -32	DN32	1.5~18(液體)			15~150（氣體）
LS-LUGB -40	DN40	2.2~27(液體)			22.6~150（氣體）
LS-LUGB -50	DN50	4~55(液體)			35~350（氣體）
LS-LUGB -80	DN80	9~135(液體)			90~900（氣體）
LS-LUGB -100	DN100	14~200(液體)			140~1400（氣體）
LS-LUGB -150	DN150	32~480(液體)			300~3000（氣體）
LS-LUGB -200	DN200	56~800(液體)			550~5500（氣體）
	代號	功能1
	N	無溫壓補(bǔ)償
	Y	有溫壓補(bǔ)償
		代號	輸出型號
		F1	4-20mA輸出（二線制）
		F2	4-20mA輸出（三線制）
		F3	RS485通訊接口
			代號	被測介質(zhì)
			J1	液體
			J2	氣體
			J3	蒸汽
				代號		連接方式
				L1		法蘭卡裝式
				L2		法蘭連接式
						代號	功能2
						E1	1.0級
						E2	1.5級
						T1	常溫
						T2	高溫
						T3	蒸汽
						P1	1.6MPa
						P2	2.5MPa
						P3	4.0MPa
						D1	內(nèi)部3.6V供電
						D2	DC24V供電
						B1	不銹鋼
						B2	碳鋼

 

    4　結(jié)束語    

    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。