CN214471068U - 一种涡街流量计数字信号处理系统 - Google Patents

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董庆
田正滨
胡锦超
尤俊青
刘立国
王树娇
刘志凯
李嵩
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Abstract

本实用新型涉及涡街流量计，尤其涉及一种涡街流量计数字信号处理系统。其增大了涡街流量计的测量量程比、解决了高低流速阶段出现的“漏脉冲”现象。包括主控单元及压电传感器；所述压电传感器与程控电荷放大器的输入端相连，程控电荷放大器的输出端与程控窄带滤波器的输入端相连，程控窄带滤波器的输出端与程控放大器a的输入端相连，程控放大器a的输出端与程控放大器b的输入端相连，程控放大器b的输出端与程控触发器相连，程控触发器分别与主控单元及脉冲控制输出电路相连。

Description

一种涡街流量计数字信号处理系统
技术领域
本实用新型涉及涡街流量计，尤其涉及一种涡街流量计数字信号处理系统。
背景技术
涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流量仪表。旋涡的频率在一定的雷诺数范围内，同流体的流速成正比。据此，通过检测旋涡频率，并已知管道截面积，就可以得出流体的体积流量。
现有涡街流量计存在下限测量能力低、线性度差、抗电磁和振动干扰能力差、脉冲输出“漏脉冲”等问题。与传统的放大、滤波、整形、脉冲输出相比，采用FFT在信噪比较大时，可以提高涡街的测量性能。但当信噪比<1时，采用FFT将得到错误的测量结果。
所以，如何识别涡街有效信号至关重要，且急需高质量的涡街信号处理系统。
发明内容
本实用新型就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种涡街流量计数字信号处理系统。其采用如下技术方案，包括主控单元及压电传感器；其特征在于，所述压电传感器与程控电荷放大器的输入端相连，程控电荷放大器的输出端与程控窄带滤波器的输入端相连，程控窄带滤波器的输出端与程控放大器a的输入端相连，程控放大器a的输出端与程控放大器b的输入端相连，程控放大器b的输出端与程控触发器相连，程控触发器分别与主控单元及脉冲控制输出电路相连。
进一步地，所述程控电荷放大器的输出端还与程控高通滤波器的输入端相连，该程控高通滤波器的输出端与程控低通滤波器的输入端相连，程控低通滤波器的输出端与两级程控放大器的输入端相连，两级程控放大器的输出端与主控单元相连。
进一步地，所述主控单元分别与人机接口单元及WDT看门狗电路相连，所述人机接口单元包括LCM显示屏、按键、字库、存储器，通过字库可实现对中英文菜单的支持，存储器用于参数的存取。
进一步地，所述主控单元与用于电池与外供电切换的电源管理电路相连。
进一步地，所述主控单元与输出接口电路相连。
进一步地，所述主控单元采用ARM CORTEX M4F内核MCU，对压电传感器输出的信号进行放大、滤波、采样和数字信号处理，并通过幅频特性识别出涡街信号；再依次经过程控硬件窄带跟踪滤波器对涡街信号提纯，阈值自适应触发器转换成脉冲信号进行输出和测量。
进一步地，所述主控单元与温度传感器及压力传感器相连，该温度传感器及压力传感器通过16位ADC转换模块与主控单元相连。
与现有技术相比本实用新型有益效果。
本实用新型提供一种涡街流量计数字信号处理系统，其所识别的涡街有效信号经硬件程控窄带跟踪滤波器进行提纯。涡街信号的幅值是有较大波动的，根据提纯后的涡街信号的实时幅值变化范围，设置硬件程控阈值自适应触发器的阈值，将涡街信号有效的转变为脉冲；实现了涡街信号的有效提取，达到抗电磁、振动等干扰的效果。增大了涡街流量计的测量量程比、解决了高低流速阶段出现的“漏脉冲”现象。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。本实用新型保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本实用新型信号处理框图。
图2是本实用新型信号处理流程示意图。
图3是本实用新型流量测量电路的电路图。
图3a-3d是图3的局部放大图。
图4是本实用新型温度测量电路及压力测量电路的电路图。
图4a-4c是图4的局部放大图。
图5是本实用新型MCU、人机接口、WDT电路的电路图。
图5a-5e是图5的局部放大图。
具体实施方式
具体实施例一、如图1、2、3、4、5所示，本实用新型一种涡街流量计数字信号处理系统，包括与压电传感器依次连接的程控电荷放大器，程控高通滤波器、程控低通滤波器、两级程控放大器，程控窄带滤波器、程控放大器a、程控放大器b、程控触发器、脉冲控制输出电路和主控单元及温度传感器和压力传感器测量单元，所述主控单元的控制信号还分别与程控电荷放大器、程控高通滤波器、程控低通滤波器、两级程控放大器、程控窄带滤波器、程控放大器a、程控放大器b、程控触发器、脉冲控制输出电路相连。
该一种涡街流量计数字信号处理系统，采用幅频特性识别、跟踪滤波、阈值自适应、增益自适应技术，应用低功耗、高性能的ARM CORTEX M4F内核MCU，低功耗外围芯片，设计出的抗干扰涡街流量计数字信号处理系统。以实现涡街信号的有效提取，达到抗电磁、振动等干扰的效果。增大了涡街流量计的测量量程比、解决了高低流速阶段出现的“漏脉冲”现象。
从大量资料和长时间分析下得出的统计规律来看，噪声频率分布在整个涡街信号频率范围内，在涡街信号较高频率处，信号能量远大于噪声能量，在涡街信号较低频率处，信号和噪声能量接近，信号完全淹没于噪声之中。
信号幅值(A)、密度(ρ)和流速(v)满足关系式：
A∝ρv2 (1)
可见，对于同一温度下的同一流体来说，其密度为一恒值，信号幅值和流速的平方成正比关系。
因此，我们可以将上面公式写成：
A＝Kρv2 (2)
其中：A：涡街信号幅值，K：自定义的系数，ρ：流体的密度，v：流体的流速。
再根据卡门涡街公式：
f＝Stv/d (3)
其中：f：涡旋的频率，St：斯特劳哈尔数，v：流体的流速，d：涡旋发生体的正面宽度。
将公式(3)带入公式(2)中可以得出：
Figure BDA0002936915790000041
d＝0.28*D (5)
整理得：A＝Amρf2D2 (6)
其中：A：涡街信号幅值(V)，Am：定义的幅频系数，ρ：流体的密度(kg/m3)，f：涡旋的频率(Hz)，D：管道内径(m)。
综上可知，Am只与涡街表体的尺寸和压电传感器的特性有关，在任意一台涡街流量计中这两个参数可以视为常数。因此，在流量计生产的过程中对其进行标定，即可确定每台涡街流量计的幅频系数。所有的实验依据JJG 1029-2007《涡街流量计》检定规程执行。在涡街流量计实际应用时，管径是已知的，密度可计算，Am已标定得出，选出信号频谱中符合幅频特性的频率为流量测量频率。
具体实施例二、本实用新型硬件电路分为：流量测量电路、温度测量电路、压力测量电路、人机接口、电源管理、输出接口电路。
如图3、3a、3b、3c、3d所示，压电传感器采集到的涡街流量信号首先进入电荷放大器进行预放大，电荷放大器输出分为两路。
第1路进入后续的程控窄带跟踪滤波器对涡街信号进行滤波提纯，程控阈值自适应施密特触发器将提纯后的涡街信号转换成脉冲进行测量和输出。
第2路进入后续的由程控高通、程控低通、两级程控放大组成的滤波放大环节，程控高通、低通滤波器根据涡街转换器设置的参数有效滤除现场流量信号频率范围以外的干扰信号，两级程控放大器自适应现场流量信号幅值的变化，使之保持在一定的幅值范围内，通过ADC转换成数字量，保证后续数字信号处理的可靠性。
如图4、4a、4b、4c所示，温度、压力传感器的信号的处理采用专用的16bit ADC，U12：ADS1148配合外围电路进行放大、滤波、采集，通过SPI接口与MCU通讯。
如图5、5a、5b、5c、5d、5e所示，主控芯片为CORTEXM4F内核MCU：MSP432P401R；人机接口部分包含LCM显示屏、按键、字库、FRAM铁电存储器，通过字库可实现对中英文菜单的支持，存储器用于参数的存取。
WDT看门狗电路，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序指针错误，陷入死循环，由单片机控制的整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果。看门狗就是定期的检查MCU的运行情况，一旦发生错误就会向MCU发出复位信号，重启整个系统。
本实用新型所述采用幅频特性识别、跟踪滤波、阈值自适应、增益自适应、低功耗等软硬件技术，对压电传感器输出的信号进行放大、滤波、采样和数字信号处理，并通过幅频特性识别出涡街信号，再依次经过程控硬件窄带跟踪滤波器对涡街信号提纯，阈值自适应触发器转换成脉冲信号进行输出和测量，通过应用一种涡街流量计数字信号处理系统，可实现涡街流量计的准确测量。
可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种涡街流量计数字信号处理系统，包括主控单元及压电传感器；其特征在于，所述压电传感器与程控电荷放大器的输入端相连，程控电荷放大器的输出端与程控窄带滤波器的输入端相连，程控窄带滤波器的输出端与程控放大器a的输入端相连，程控放大器a的输出端与程控放大器b的输入端相连，程控放大器b的输出端与程控触发器相连，程控触发器分别与主控单元及脉冲控制输出电路相连；
所述程控电荷放大器的输出端还与程控高通滤波器的输入端相连，该程控高通滤波器的输出端与程控低通滤波器的输入端相连，程控低通滤波器的输出端与两级程控放大器的输入端相连，两级程控放大器的输出端与主控单元相连；
压电传感器用于采集涡街流量信号；
所述电荷放大器用于将压电传感器采集到的涡街流量信号进行预放大，并输出两路；其中，第1路与程控窄带跟踪滤波器相连，程控窄带跟踪滤波器内的程控阈值自适应施密特触发器用于将提纯后的涡街信号转换成脉冲进行测量和输出；
第2路进入后续的由程控高通、程控低通、两级程控放大组成的滤波放大环节，用于滤除现场流量信号频率范围以外的干扰信号。
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