一種并聯(lián)安裝的基于自適應快速傅立葉變換的渦街流量計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及流體流量測量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及信號處理電路及數(shù)字信號處理技術(shù)，為一種應力式壓電渦街流量計，特別是一種以微處理器為核心、可編程PLC控制器作為切換的選擇控制器、基于自適應快速傅立葉變換功率譜分析的應力式壓電渦街流量計信號處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]渦街流量計是依據(jù)卡門漩渦原理進行封閉管道流體流量測量的新型流量計，通過在流體中安放一個非流線型漩渦發(fā)生體，使流體在發(fā)生體兩側(cè)交替的分離，釋放出兩串規(guī)則的交錯排列的漩渦，且在一定范圍內(nèi)漩渦分離頻率與流量成正比。
[0003]當儀表要求達到的量程比很高時，其最大流速與最小流速所產(chǎn)生信號的幅度比為非常大，采用固定放大倍數(shù)的放大電路會導致低流速是信號無法測量或高流速時信號頂部和底部的失真，從而造成測量精度的下降。另外，在將渦街信號整形成脈沖信號預處理時，通常采用施密特觸發(fā)器電路實現(xiàn)，但單一的閥值電壓無法滿足系統(tǒng)軟件和硬件變參數(shù)的需求。因此，現(xiàn)有的渦街流量計無法實現(xiàn)較高的量程比。
[0004]液體的流速受到口徑的限制，單一口徑的渦街流量計都有一個流量的區(qū)間，因為小流量所產(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號非常微弱，易受流體沖擊振動噪聲和管道振動噪聲的影響，難以測量到準確的渦街信號，從而造成量程比受限，小流量測量測量不準，誤差很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種并聯(lián)安裝的基于自適應快速傅立換的渦街流量計。
[0006]采用的技術(shù)方案是:首先，切斷閥(I)處于常開狀態(tài)，水流量經(jīng)過管徑(1)，信號處理電路將檢測到的流量信號給STM32微處理器，STM32微處理器通過軟件處理將控制指令發(fā)送給PLC控制器，PLC控制切斷閥自動選取適合的管徑。如果流經(jīng)管徑(I)的流量在第一臺渦街流量計的測量區(qū)間，則繼續(xù)選用管徑(I)，當檢測到的實時流量低于第一臺渦街流量計的測量區(qū)間，則STM32微處理器給PLC控制器發(fā)送控制指令，切斷閥(I)關(guān)閉，切斷閥
(2)開啟ο
[0007]同時，通過采用程控放大器和程控施密特觸發(fā)器，使該渦街流量計能夠在不同流速下自動的切換選擇適合量程的管徑路線，并能自動根據(jù)噪聲的大小改變施密特觸發(fā)器的閥值電壓、根據(jù)渦街信號的幅度改變放大電路的增益、根據(jù)渦街信號的頻率改變ADC的采樣頻率，從而使整個渦街流量計工作在最佳狀態(tài)。
【附圖說明】
[0008]圖1為本實用新型的系統(tǒng)整體框圖；
[0009]圖2為本實用新型的信號處理流程圖；
[0010]圖3為電荷放大器電路原理圖；
[0011]圖4為第一濾波器電路原理圖；
[0012]圖5為程控放大器電路原理圖；
[0013]圖6為第二濾波器電路原理圖；
[0014]圖7為程控施密特觸發(fā)器電路原理圖；
[0015]圖8為微處理器模塊電路原理圖。
【具體實施方式】
[0016]本實用新型的渦街流量計是一種增加前端管徑選擇線路，改進信號處理電路、基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32嵌入式處理器、采用基于自適應快速傅立葉變換的低功耗智能渦街流量計。能夠在不同流速狀態(tài)下選擇最適合的管徑線路，并能夠在大噪聲的背景下有效地提取非常微弱的渦街信號，并能自動根據(jù)噪聲的大小改變施密特觸發(fā)器的閥值電壓、根據(jù)渦街信號的幅度改變放大電路的增益、根據(jù)渦街信號的頻率改變ADC的采樣頻率，從而能有效地擴展儀表的量程比、提高測量精度。在軟件算法上，采用基于自適應FFT的算法能實現(xiàn)高流速與低流速分段等精度的功率譜分析，采用快速排序、去最大值最小值、多次取樣求平均等方法提高計算精度，采用循環(huán)隊列，保存采樣來的數(shù)據(jù)和一遍采樣一遍計算的方法來減少計算的等待時間。
[0017]工作流程是(如圖1):首先，切斷閥(I)處于常開狀態(tài)，切斷閥(2)處于常閉狀態(tài)，此時，水流量經(jīng)過管徑(I)，信號處理電路將檢測到的流量信號給STM32微處理器，STM32通過軟件處理將控制指令發(fā)送給PLC控制器，PLC控制切斷閥自動選取適合的管徑。第一切斷閥開啟條件:流經(jīng)工藝管路的流量高于第二臺流量計的測量上線，其關(guān)閉條件為:流經(jīng)工藝管路的流量低于第二臺流量計測量上限；所述第二切斷閥設置為常閉型，其開啟條件為:流經(jīng)工藝管路的流量低于第一臺流量計測量下線，其關(guān)閉條件為:流經(jīng)工藝管路的流量高于第二臺流量計測量上線；當測得流經(jīng)工藝管路的流量低于第一臺流量計測量下線時，第一切斷閥由常開變?yōu)殚]合狀態(tài)、第二切斷閥由閉合變?yōu)殚_啟狀態(tài)。
[0018]信號處理電路(如圖2)的工作流程是:當測量管徑中有流體流動時，在阻流體兩側(cè)會交替分離出卡曼渦街，漩渦使得壓電傳感器產(chǎn)生電荷信號，電荷信號經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，第一濾波器濾除壓電傳感器的固有震蕩噪聲，程控增益放大器可對信號在增益為-20dB?20dB的線性范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，第二濾波器濾除其余噪聲使得渦街信號更加平滑，一路信號經(jīng)過程控施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成脈沖信號后送入微處理器的定時器進行捕獲計頻，另一路信號送入微處理器的ADC，ADC的采樣頻率由捕獲的頻率決定，從而實現(xiàn)變采樣率的分析。微處理器首先對ADC采用來的數(shù)字信號進行幅度計算，由該幅度值控制程控增益放大器的增益；然后對信號進行快速傅立葉變換計算和功率譜分析，得到信號的頻率值。根據(jù)該頻率值和儀表系數(shù)可計算出瞬時流量和累計流量，微處理器將流量信息通過SPI接口發(fā)送到IXD驅(qū)動器顯示在IXD上，同時將流量信息通過定時器產(chǎn)生的PWM波輸入到4-20mA電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。微處理器軟件運行過程的調(diào)試信息通過UART接口發(fā)送到PC機，同時PC機通過UART接口與流量計連接進行參數(shù)設置。
[0019]可編程PLC控制器選用西門子公司的S7-200CPU224。第一、第二切斷閥均采用籠式導向型單座快速氣動切斷閥，可減少第一切斷閥、第二切斷閥的閥門開關(guān)切換時間。其中:第一臺流量計的口徑為DN300、測量下限為1300m3/h、測量上限為12000m3/h ;第二渦街流量計的口徑為DN100、測量上限為1500m3/h。第一切斷閥的開啟條件為:流經(jīng)工藝管路的流量高于第二臺流量計的測量上線，第一切斷閥的關(guān)閉條件為:流經(jīng)工藝管路的流量低于第二臺流量計測量上限；所述第二切斷閥的開啟條件為:流經(jīng)工藝管路的流量低于第一臺流量計測量下線，第二切斷閥的關(guān)閉條件為:流經(jīng)工藝管路的流量高于第二臺流量計測量上線(當測得流經(jīng)工藝管路的流量高于第二臺流量計測量上限時，第一切斷閥由閉合變?yōu)殚_啟狀態(tài)、第二切斷閥由常開變?yōu)殚]合狀態(tài))。
[0020]電荷放大器由兩級運放電路組成(如圖3)，運放U1A，反饋電阻R2，反饋電容C2，運放U1B，反饋電阻R5，IN為渦街信號輸入接線端子，IN的I腳接地，2腳接電容Cl與電阻Rl串聯(lián)連接到運放UlA的反向輸入端，UlA的正向輸入端接地。UlB的輸出端NETl接第一濾波器的輸入端NET1，電容Cl可濾除直流信號，調(diào)節(jié)滑動變阻R6的阻值可改變電荷放大的倍數(shù)。
[0021]第一低通濾波器(如圖4)，由運放U2A、電阻R7、R8、R9、R10電容C3、C4、C5、C