關于數字渦街流量計的設計

研究背景與意義

1.渦街流量計概述

當流體中安放一個非流線型旋渦發生體時，流體將會在發生體兩側交替分離，并釋放出兩串規則的交錯排列的旋渦。在一定范圍內，旋渦分離頻率與流量成正比。根據這種原理實現流量測量的流量計叫做渦街流量計。渦街流量計具有壓力損失小，量程寬，精度高，構造簡單牢固，維護方便，安裝費用低，使用壽命長，適用范圍廣等優點，因此被廣泛應用于工業管道介質流體的流量測量。

2.渦街流量計的研究現狀

盡管渦街流量計具有眾多優點，并在工業生產中得到廣泛的應用。但現有的渦街流量計仍存在一些問題，影響到它的進一步推廣應用。例如，渦街流量計下限量程高，抗機械振動干擾能力差，在線參數修改不便。因此，解決渦街流量計小流量測量，抗干擾等問題，對于改善現有渦街流量計的測量精度與可靠性具有重大意義。同時，優化渦街流量計的操作界面能極大方便用戶的使用。

3.渦街流量計研究的意義

正如上文所述，渦街流量計具有諸多優點，同時也有許多亟待解決的問題。我們的研究將針對解決小流量測量，抗干擾以及優化操作界面這三個問題展開。通過引入溫度、壓力補償，數字信號處理，以及USB數據傳輸等方法，解決長期阻礙渦街流量計發展應用的瓶頸問題，進一步提高渦街流量計的可靠性，精確性與實用性，推動渦街流量計在工業中的應用。

課題研究的特色

2.1 創新性

⑴當前的渦街流量計沒有考慮溫度、壓力等環境因素對流量測量的影響，測量精度無法提高。我們的研究將增加溫度、壓力補償功能，使測量過程不受環境因素影響，結果更加準確可靠;

⑵由于當前的渦街流量計采用計數方式計算流速，因此，當流速較低時，計數脈沖信號減弱，造成小流量測量結果不準。我們的研究將使用軟硬件合成濾波的方法，提取并放大微弱的低流速信號，實現低流速的準確測量;

⑶當前的渦街流量計使用查表和線性擬合的方式計算流量，由于擬合誤差的存在，測量結果誤差較大。我們的研究將利用解析計算公式，并加入溫度壓力補償，實現流量的精確計算;

⑷當前的渦街流量計難以消除管道內部的振動噪音，從而造成較大的測量誤差。我們的研究將應用數字傅里葉算法，消除渦街信號中的噪音成分，提高渦街流量計的抗干擾能力;

⑸通過增加USB數據傳輸功能，實現流量數據的在線下載與測量參數的在線修改，使得流量計的使用更加方便靈活。

2.2 可實現性

⑴PIC32系列單片機的高速計算性能使得復雜數字信號處理和計算成為可能;

⑵PIC32系列單片機的豐富外設簡化了渦街流量計外部電路的設計，使得流量計體積更小，成本更低，可靠性更高;

⑶PIC32系列單片機的OTG模塊減少了USB數據傳輸協議的解析量，縮短了USB數據傳輸的開發周期。

方案設計

3.1 硬件設計

整套系統由主機與從機兩部分組成。主機為現場儀表，具備流量測量、顯示以及數據記錄等功能。從機為手持管理儀表，使用者通過USB連接線，實現對現場儀表的管理。管理內容包括測量數據的下載和測量參數的修改。具體硬件設計如下圖所示。

3.2 軟件設計

軟件程序由三部分組成。第一部分為啟動初始化程序，它完成渦街流量表的初始狀態設定。第二部分為測量主程序，它實現流量信號的采集，處理，計算與顯示。第三部分為USB數據傳輸中斷程序，它由按鍵觸發，實現主機與從機間的數據交換。

3.3 單片機選型

根據設計需求，所選單片機應具有以下基本配置：

⑴80MHz主頻;

⑵32位總線設計;

⑶32kB RAM空間;

⑷128kB Flash 存儲空間

⑸2路中斷信號通道

⑹4路A/D轉換通道;

⑺4路I/O轉換接口;

⑻USB OTG硬件解析模塊;

⑼1路D/A轉換通道。

因此，我們選擇PIC32MX440F128H及以上版本的單片機作為渦街流量計的處理芯片。