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，提高测量精度和抗干扰能力，扩大量程比，实现小流量测量。研制基于DSP的涡街流量计和科里奥利质量流量计二次仪表。
关键词：涡街流量计，科里奥利质量流量计，数字信号处理器，二次仪表。 1．引言
被人们称为“数字孔板”的涡街流量计，具有测量精度较高、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，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，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。这两个问题影响了涡街流量计特点的发挥，阻碍它的发展。
科里奥利质量流量计(以下简称为科氏流量计)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。科氏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精确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：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。科氏流量传感器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，导致实际的测量精度达不到指标规定的精度。(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度；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(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，克服目前上述流量计信号处理方法的局限，提高测量精度和抗干扰能力，扩大量程比，实现多参数测量和小流量测量。 2．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
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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，确定出最大功率谱值，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。
前向输入通道LCD显示压电传感器电荷放大器程控放大器低高通滤波器A/D转换器模拟量输出保护电路RESET串行通信接口ADSP2181SPORT1键盘输入EPROM 图1 系统硬件框图
外部中断子程序通信中断子程序监控程序定时器中断子程序初始化子程序FFT计算子程序换算子程序复位watchdog子程序EEPROM读写子程序键盘监控程序LCD显示子程序通信子程序 图2 系统软件框图
采取一系列措施解决处理精度和实时性的问题：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精度。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，将最新采样的数据刷新队列里最老的数据，每次计算都用最新采样的数据。在2秒中作20次谱分析，去掉最大两个数据、最小两个数据，取其平均值后，送LCD显示。做到处理实时，显示及时，结果稳定。已申报了国家发明专利。
用HP公司的信号发生器测试，基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计数字信号处理系统的最大相对误差不大于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江苏省宜兴市路达仪表有限公司的标定装置上，与合肥仪表总厂和江苏省宜兴市路达仪表有限公司的传感器相配合，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江苏省宜
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兴市路达仪表有限公司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、测量精度高和抗干扰能力强。 3．科里奥利质量流量计信号处理方法和系统
研制的基于DSP的科里奥利质量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。
信号采集通道铂电阻传感器温度检测电路放大及低通滤波电路多路开关采样保持及模数转换电路磁电传感器激振电路键盘输入电路数字信号处理器串行通信电路激振器显示电路逻辑控制电路4~20mA输出电路
图3 系统硬件框图
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。
初始化模块相位差测量模块频率跟踪模块键盘监控模块外部中断服务模块监控程序中断服务模块定时中断服务模块显示模块通信模块温度补偿模块延时子程序 图4 系统软件框图
以ADSP2181为处理核心，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，
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