0 引言

    渦街流量計以其壓力損失小、測量精度高、量程范圍寬、運行可靠、維護簡單以及性價比高等特點，越來越多的被廣大用戶所認可和使用[1]。然而，人們在使用中發現雖然它有很多優點，但流速較低時存在測量不穩定的局限性，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，微處理器根據其輸出特性曲線進行非線性校正，擴展了流量計的測量下限，擴大了渦街流量計的使用范圍。

    1 其所長系統工作原理與總體設計

    1.1 工作原理

    渦街流量計是基于卡門渦街原理設計的一種流體振動式流量計，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，流體繞過漩渦發生體時，出現附面層分離，在漩渦發生體的左右兩側后方會交替產生兩列有規律的漩渦，即卡門渦街，當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為漩渦發生體寬度；st為斯特勞哈爾數。st與漩渦發生體寬度d及雷諾數Re有關，當Re在2×104～7×106的范圍內，St基本保持不變。

    式（1）表明，當d與St為定值時，漩渦產生的頻率f與流體的平均流速u成正比，渦街流量計就是根據上述原理進行流量測量的。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發生體兩側的流速。對于湍流狀態，不同的雷諾數下，流速分布規律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，進而說明渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是由其檢測機理所決定的[2]。在實際使用時，先測出傳感器的儀表系數k與頻率f的試驗曲線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，對該曲線進行分段線性處理，并固化在流量計中，實現渦街傳感器的非線性修正。

    1.2　系統總體設計分析

    系統主要由如下模塊組成：渦街傳感器信號調理模塊，人機交互模塊，RS485通信模塊、4mA-20mA電流環模塊、頻率輸出模塊以及電源與掉電檢測模塊，系統框圖如圖1所示。

圖1　智能渦街流量計系統框圖

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

    人機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菜單設置，完成累積流量和瞬時流量的實時顯示，并通過該模塊實現了對儀表系數等參數的校正和修改。

    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傳遞給遠程計算機，方便用戶即時了解流量計的信息。

    4-20mA電流環模塊主要用于將瞬時流量的數值轉換成與之對應的電流信號，方便了瞬時流量信號的遠傳，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值轉換成與之對應的頻率信號，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場提供的24V直流電壓轉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行監測，在系統掉電瞬間產生中斷，并在中斷程序中完成對累積流量等重要數據的保存。電源切換電路主要功能是實現電池和24V直流電源之間的自動切換。當外接有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；當沒有外接24V直流電源時，電池供電回路自動接通，避免了數據的丟失。    

    2　系統硬件設計

    系統采用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轉換器、內部用戶可編程Flash存儲器以及兩個UART通用串行接口等先進外設，剛好滿足本流量計的要求。

    2.1　信號調理模塊設計

    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　傳感器信號調理模塊結構圖

    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行頻率測量。

    2.2　掉電檢測模塊設計

    電源掉電模塊設計采用MAXIM公司的MAX9017電壓比較器，芯片自帶1.236V高精度電壓基準源。電源電壓經電阻分壓后與高精度基準電壓比較，分壓后的電壓低于基準電壓源時，MAX9017輸出端產生正跳變，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據保存在MSP430F435內部的FLASH存儲器中。    

    2.3　4-20mA電流環模塊設計

    4-20mA電流環模塊采用美國ADI公司的AD421芯片。該芯片是一款高性能的數模轉換器。它由電流環路供電，可以將串行輸入的16位數字信號轉換成4—20mA電流信號。它內部含有電壓調整器，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結構，保證16位的分辨率和單調性，其積分線性誤差為±0.01%，增益誤差為±0.2%，其標準的三線串行接口可以在10Mbit/s下運行，便于與微處理器相連。基于以上優點AD421被廣泛應用在智能變送器的設計中[4]。

    4-20mA電流環模塊如圖3所示。為了提高系統的可靠，AD421經光耦隔離后與微處理器MSP430F435相連。耗盡型場效應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，還可以為系統的其它模塊供電。晶體管9014的作用是減小場效應管2SK30A的負載，為流經BST引腳的電流提供一條回路。    

圖3　4mA—20mA電流環模塊結構圖    

    2.4　RS485通信模塊的設計

    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入微處理器電路，提高系統的可靠性。在系統中，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還起到了電平轉換的功能。通過RS485通信模塊，遠程計算機可以方便、及時的了解流量計的流量參數。

    2.5　頻率輸出模塊設計

    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通與截止，從而實現頻率的輸出。

    3　系統軟件設計

    系統軟件主要以下部分組成：1）測頻子程序：負責傳感器信號頻率的測量；2）“心跳”程序：實現非線性校正、累積計算、4-20mA電流輸出和頻率信號輸出；3）RS485通信子程序：遠程計算機通過RS485可以隨時讀取流量計的參數；4）掉電保護子程序；5）菜單設置程序：當有按鍵按下時，可以對流量計進行本地參數設置和修改。    

    系統上電復位后，MSP430F435首先完成各模塊初始化，之后便進入低功耗模式LPM3。通過中斷喚醒MCU方式執行相應功能模塊，中斷完成后恢復低功耗模式。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

    3.1　非線性校正算法設計

    采用分段線性化的非線性校正方法，首先通過試驗的方法獲取傳感器輸出頻率與儀表系數的對應關系，然后對該曲線進行合適的分段，每一段曲線可近似看成是一直線段，曲線分段后，各段端點對應被測頻率信號分別為F0，F1，F2，?Fm，傳感器對應的儀表系數為K0，K1，K2?Km，其中F0、Fm分別對應被測頻率***小值與***大值。顯然曲線上任一點P（f，k）可由分段直線段上的點近似表示，則有：

    （3）

    式（3）就是得到的兩點式分段直線校正方程。系統上電初始化時先依次把端點數據（Fi，Ki）（其中i=0，1，2，?，m）讀入內存，在校準時，先要判斷當前測得頻率f位于哪一個直線段，再根據相應的直線段校正參數，由插值法求出相應的儀表系數。

    渦街傳感器非線性校正與流量計算在看門狗定時“心跳”中斷程序中實現，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、產品概述：
   LS-LUGB型渦街流量計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的新一代產品。工業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、粘度等參數的影響。解決了傳感器不能高溫測量，以及日常維護不方便等問題。采用壓電應力式傳感器,性能穩定，可靠性高，可在-20℃～+300℃的工作溫度范圍內工作。可以同時輸出模擬標準信號、脈沖信號、通訊接口，方便與計算機數字系統配套使用。

二、工作原理：

在流體中設置三角柱型旋渦發生體，則從旋渦發生體兩側交替地產生兩列有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡門渦街，如圖(一)所示。

圖(一)旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。設旋渦的發生頻率為f，被測介質來流的平均速度為V，旋渦發生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，根據卡曼渦街原理，有如下關系式:

f=St.V/〔（1-1.25d/D）d〕                

式中：f－發生體一側產生的卡門旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數

V－流體的平均流速

d－柱體流面寬度

D-管道內徑

在漩渦發生體中裝入電容檢測探頭或壓電檢測探頭及相應匹配電路，即可構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（1/m³）。

M=質量流量

Q＝體積流量（m³/h）

ρ=介質密度（kg/m³）

F=頻率Hz    【渦街流量計壓力損失小，量程范圍寬】
三、渦街流量計技術參數：
測量精度：液體1.0級、氣體1.5級（標準流量范圍內）
重復性：0.2%、0.3%；
公稱通徑：DN50mm-DN500mm
流量范圍度：擴展流量范圍：液體20:1、氣體15:1，標準流量范圍：液體10:1、氣體8:1
工作壓力：1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.0MPa
介質溫度：-200-+400℃
壓力損失：阻力系數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
防護等級：IP65，可選IP68

四、渦街流量計選型   【渦街流量計壓力損失小，量程范圍寬】

    4　結束語    

    該智能渦街流量計充分利用微處理器MSP430F435內部模塊，減少了外圍模塊的數量，降低了系統設計的難度，提高了系統的可靠性；采用智能非線性校正，擴展了流量計的量程比；具有頻率輸出、4-20mA電流輸出和RS485數據通訊功能，提高了系統的兼容性。