技术领域
[0001] 本
发明涉及流量检测领域，为一种涡街流量计，特别是一种以
单片机(MCU)为核心、基于互相关分析的测量低雷诺数流量的涡街流量计。
背景技术
[0002] 涡街流量计可以测量液体、气体和
饱和蒸汽流量，较广泛地应用于石油、化工等工业及民用领域。根据涡街流量计的工作原理，对于ReD(雷诺数)小于5000的低流速范围，由于此时
流体流动为
层流，不能产生漩涡。因此，理论上涡街流量计所能测量的最低流量所对应的ReD为5000左右。而实际中，在ReD为5000～20000的小流量范围内，涡街流量
信号的幅值很小，很容易被噪声所淹没，从而难以分辨出流量信号；同时，由于此时St(斯特劳哈尔数)会随着ReD的变化而改变，从而导致涡街流量计的仪表系数在小流量时发生变化。因此，普通涡街流量计的量程下限所对应的ReD一般在20000左右。为了降低涡街流量计的量程下限，中国发明
专利公布了一种基于DSP的低成本智能涡街流量计
信号处理系统(徐科军，王肖芬，陈智渊.基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统，
申请发明专利，200510041058.1,申请日：2005.7.13.)。这种信号处理系统由
模拟信号调理模
块、DSP芯片及外扩RAM、EEPROM、
低电压监测
电路、LCD显示、
键盘输入、模拟量输出、脉冲输出以及电源管理模块组成。采用周期图谱分析与数字滤波相结合的方法，处理涡街流量
传感器的
输出信号，在现场有管道振动和流体流场不稳定的情况下，准确测量流体的流量。该发明专利具有量程下限低、
精度高、成本低等优点。但是，这种基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统存在以下不足：(1)DSP芯片的功耗较大，造成系统无法满足两线制过程控制仪表对消耗
电流必须小于4mA的要求。(2)虽然采用周期图谱分析与数字滤波相结合的方法可以降低系统的量程下限、提高测量精度，但是，量程下限所对应雷诺数的值与5000相比，仍然较大。为此，中国发明专利公布了一种基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计(徐科军，刘三山，罗清林等.基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计,申请发明专利，200910117174.5,申请日：2009.6.29.)。这种流量计由
压电传感器、
限幅放大器、低通
滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4-20mA输出、隔离和非隔离DC/DC(直流/直流变换器)、LDO(低压差线性稳压器)、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、
液晶显示电路组成。采用汇编语言实现实数FFT(快速
傅立叶变换)
算法，用周期图法处理涡街流量传感器信号，进行幅值和
频率校正，计算瞬时和累积流量，输出4～20mA直流电流、两线制工作。该发明专利通过以下方法来解决系统功耗较大的问题：(1)以低功耗单片机代替功耗较大的DSP芯片，作为系统的主控芯片。(2)采用汇编语言实现实数FFT算法，减小FFT运行的时间，解决在运行速度较慢的单片机上进行运算量较大的FFT算法所带来的实时性较差的问题。该发明解决了两线制过程控制仪表要求消耗电流必须小于4mA的问题；但是，仍不能进行ReD在5000～20000范围内的小流量测量。国外Venugopal A.等提出采用一种双压电传感器涡街流量计，其中两个压电传感器之间的距离为已知的固定值L，对于ReD在5000～20000范围内的小流量，通过互相关分析方法求得流体流过两个压电传感器的延迟时间T，用距离L除以延迟时间T来计算流体流速。而对于ReD在20000以上的大流量，仍然采用求幅值谱的分析方法来计算流体流速(Venugopal A.,Agrawal A.,Prabhu S.V.,A vortex cross-correlation flowmeter with enhanced turndown ratio[J].Review of Scientific Instruments,2014,85:1-
3.)。但是，只进行了相应的仿真，并没有研制出一个实际的系统。而在研制一个实际系统中会遇到以下问题：(1)为了满足两线制过程控制仪表消耗电流必须小于4mA的限制，系统只能基于低功耗单片机进行开发；单片机内存容量较小，且运算能
力有限，而互相关分析的数据量和运算量较大，这将导致系统算不过来或者来不及算的问题，无法满足仪表实时处理和显示的要求；(2)互相关分析是时域的分析，其计算得到的延迟时间T只能是
采样周期Ts的整数倍，因此，较低的
采样频率Fs将导致延迟时间T的计算精度较差。
发明内容
[0003] 本发明要解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，提供一种用于低雷诺数流量测量的测量精度高、量程下限低、实时性好且满足低功耗要求的基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计。
[0004] 本发明专利的技术方案是：重新设计涡街流量计一次仪表，以满足互相关分析的要求。在发生体后面(即下游)安装两个相距一定距离L的压电传感器，以产生互相关分析所需的两路涡街流量信号。其中，在设计L值的大小时，保证两路涡街流量信号间的延迟时间T小于涡街流量信号的一个周期；选用美国TI公司生产的最新单片机MSP430F6459，其内存容量达到了66KB；提出一种基于互相关分析快速计算延迟时间T的方法，具体内容为：(1)在进行互相关分析时，由于延迟时间T始终为正值。因此，只需计算正半轴部分的互相关分析的结果，即m＝0,1,…,N-1，这样将计算量减少一半；(2)两个压电传感器输出的涡街流量信号近似为频率相同的周期性
正弦波信号。因此，其互相关分析结果也近似为同周期的正弦波信号。而在设计涡街流量计一次仪表时，确保了两个压电传感器输出信号间的延迟时间T小于涡街流量信号的一个周期。因此，在互相关分析结果中，第一个局部峰值点所对应的时间为两个信号间的延迟时间T。这样，可进一步减小互相关分析的计算范围，只需计算m＝0,1,…,N1-1范围内互相关分析的结果。其中，N1小于N，但是，必须保证第一个局部峰值点出现在互相关分析结果中；(3)对进行互相关分析的长度为N的两个涡街流量信号进行步长s的抽点(s必须小于N，且可以整除N)，抽点后的数据长度变为原来的1/s倍，采样周期变为原来的s倍。然后，对抽点后的数据进行互相关分析，并找到互相关分析结果的第一个局部峰值点mjmax。由于采样周期变为原来的s倍，导致互相关分析的精度变差，mjmax所对应的时间与实际的延迟时间T可能存在一定的偏差，但实际的延迟时间T肯定就在mjmax附近。为此，取m等于mjmax左右若干点。在此范围内，对抽点前长度为N点的数据进行互相关分析，将其互相关分析结果的峰值点所对应的时间，作为延迟时间T。这样，既能大大减少互相关分析求延迟时间的计算量，又能保证延迟时间T的计算精度。该方法大大提高了系统的实时性，解决了互相关分析计求延迟时间的计算量大，导致系统实时性较差的问题；对互相关分析结果进行三次样条插值，提高互相关分析结果的时域
分辨率，解决较低的采样频率Fs对延迟时间T计算精度影响较大的问题。
[0005] 本发明专利的优点是：设计一种双压电传感器的涡街流量计一次仪表，采用互相关分析方法，充分利用两个压电传感器输出信号的相似性，进行低雷诺数流量的测量；提出一种基于互相关分析快速计算延迟时间T的方法，大大减少了计算量，保证了系统的实时性；对互相关分析结果进行三次样条插值，提高了互相关分析结果的时域分辨率，大大减小了较低的采样频率Fs对延迟时间T计算精度的影响；以低功耗单片机MSP430F6459为核心，研制基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计，且满足低功耗要求、实时性要求以及测量精度要求。
附图说明
[0007] 图2是涡街流量计一次仪表结构示意图。
[0010] 图5是基于互相关分析快速计算延迟时间算法的
流程图。
[0011] 图6是对互相关分析结果进行三次样条插值的效果图。
[0012] 图7是主监控程序流程图。
具体实施方式
[0013] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0014] 本发明的设计思想是：根据涡街流量计的工作原理，对于ReD小于5000的低流速范围，由于此时流体流动为层流，不能产生漩涡。因此，理论上涡街流量计所能测量的最低流量所对应的ReD为5000左右。而实际中，在ReD为5000～20000的小流量范围内，由于此时涡街流量信号的幅值太小，很容易被噪声所淹没，从而难以分辨出流量信号；同时，St(斯特劳哈尔数)会随着ReD的变化而改变，从而导致涡街流量计的仪表系数在小流量时发生变化。设计一种相距为L的双压电传感器涡街流量计一次仪表，采用互相关分析方法，充分利用两个压电传感器输出信号的相似性，进行ReD为5000～20000范围内的小流量测量。而对于ReD在20000以上的大流量，由于压电传感器输出的涡街流量信号幅值较大，且幅值谱分析与互相关分析相比，具有精度较高、计算量较小的优点。因此，仍然采用幅值谱分析方法来计算流量；采用一种基于互相关分析快速计算延迟时间T的方法，省略计算互相关分析结果中对延迟时间T的计算精度没有影响的部分，大大减少互相关分析求延迟时间T的计算量，保证系统的实时性；采用对互相关分析结果进行三次样条插值的方法，提高互相关分析结果的时域分辨率，减小因较低的采样频率Fs对延迟时间T计算精度的影响；以内存较大的低功耗单片机MSP430F6459为核心，研制基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计，且满足低功耗要求、实时性要求以及测量精度要求。
[0015] 本发明系统的总体结构如图1所示。本发明系统由单片机、压电传感器1、压电传感器2、电荷放大器1、电荷放大器2、
低通滤波器1、低通滤波器2、电压跟随器1、电压跟随器2、电源管理电路、4-20mA输出电路、脉冲输出电路、液晶显示、键盘输入和保护电路组成。
[0016] 所述电荷放大器1、低通滤波器1和电压跟随器1构成一路信号调理电路；所述电荷放大器2、低通滤波器2和电压跟随器2构成另外一路信号调理电路。这两路信号调理电路完全一致，分别对压电传感器1和压电传感器2的输出信号进行放大和低通滤波。
[0017] 图2是涡街流量计一次仪表的结构示意图，主要由漩涡发生体、压电传感器1和压电传感器2组成。其中，漩涡发生体用于产生稳定的漩涡，压电传感器1和压电传感器2输出用于互相关分析的两路涡街流量信号。这两个压电传感器均安装在漩涡发生体的下游，互相之间间隔一定的距离L，使它们输出信号间的延迟时间小于涡街流量信号的一个周期。在图2中，管道口径D为50mm，发生体采用夹
角为72°、阻塞率d/D(d为发生体迎流面宽度)为0.27的梯形柱体，这种形状被称为发生体的最佳形状。压电传感器1安装在漩涡发生体后面(即下游)x/d＝0.85(x为压电传感器1与漩涡发生体之间的距离)的
位置，以便获得良好的线性度和幅值较大的信号。压电传感器2也安装在漩涡发生体的后面(即下游)，与压电传感器1之间的距离L设计为36.5mm，使得两个压电传感器输出信号的延迟时间小于涡街流量信号的一个周期，以便进行延迟时间T的测量。
[0018] 本发明系统的基本工作过程为：压电传感器1和压电传感器2的输出信号分别通过两路完全一致的信号调理电路进行适当放大和低通滤波后，由单片机内部的ADC(
模数转换器)进行采样，转换成
数字信号。单片机对采集到的数字信号进行分析处理，得到流量值。最后，系统将流量测量结果显示在液晶上，并通过4-20mA输出电路转换成相应的4-20mA直流电流输出，或通过脉冲输出电路转换成相应频率的脉冲信号输出。
[0019] 本发明专利的软件结构框图如图3所示。
系统软件开发采取模块化设计方案，将子程序组成功能模块，由主监控程序统一调用。本系统基本功能模块包括：主监控程序、外部中断模块、
铁电存储模块、看
门狗模块、人机
接口模块、初始化模块、数字信号处理模块和输出模块。其中，数字信号处理模块包括幅值谱分析模块和互相关分析模块，输出模块包括4-20mA直流电流输出模块和脉冲输出模块。
[0020] 所述数字信号处理模块中采用两种方法来计算瞬时流量，即互相关分析方法和幅值谱分析方法，并根据现场流量的大小来进行切换。当瞬时流量值所对应的ReD大于20000时，选用幅值谱分析的方法，对其中压电传感器1的输出信号进行FFT变换(
快速傅立叶变换)，计算幅值谱，找出幅值谱中幅值点所对应的频率作为涡街流量信号的频率f，并根据频率f来计算流量；当瞬时流量值所对应的ReD小于20000时，选用互相关分析方法，计算流体流过两个压电传感器的延迟时间T，并用距离L除以延迟时间T来计算流量。该方法充分利用两个压电传感器输出信号的相似性，进行流量测量。
[0021] 但是，互相关分析是时域分析，其计算得到的延迟时间T只能是采样周期Ts的整数倍。因此，Ts越小，计算精度越高。同时，被分析的信号长度越长，所包含的信息量越大，才能更全面地反映两个信号之间的相似性。这就要求被分析的信号点数N越大越好。但是，互相关分析运算量非常大，且N越大，互相关分析的数据量和运算量就更大。N每增加一个点，将增加N+1次乘加运算。由于两线制过程控制仪表有消耗电流必须小于4mA的限制，系统只能基于低功耗单片机进行开发。而单片机的内存较小，且运算能力有限，无法满足工业仪表实时测量的要求。
[0022] 为此，本发明专利采取以下措施，来解决这些问题。(1)选用美国TI公司生产的最新单片机MSP430F6459，其内存容量达到了66KB；(2)即使是这款大容量单片机，也不能满足本发明专利采用的N等于4096点互相关分析的要求，所以，研究基于互相关分析快速计算延迟时间T的方法，减少所需的内存容量和运算量，提高仪表的实时性；(3)对互相关分析结果峰值点附近若干点进行三次样条插值，提高时域分辨率，保证计算精度。
[0023] 本发明系统采用TI公司生产的最新单片机MSP430F6459为处理核心，如图4所示。
[0024] MSP430F6459单片机是TI公司生产的一款内存较大的16位超低功耗单片机(MCU)，其内存容量达到了66KB，并具有超低功耗以及丰富的片内外设，包括时钟系统、看门狗、16位
定时器、基本定时器、
实时时钟、USCI、硬件乘法器、ADC、DMA、GPIO等，为实现本发明系统中的数字信号处理算法提供了一定的保证。
[0025] 假设压电传感器1和压电传感器2的输出信号分别为x1(n)和x2(n)，则其互相关函数为：
[0026]
[0027] 式中，N为每次进行互相关分析的信号的点数，m的取值范围为-(N-1),-(N-2),…,0,…,N-2,N-1。
[0028] 所述基于互相关分析快速计算延迟时间T算法的具体内容为：
[0029] (1)在进行互相关分析时，由于x1(n)始终超前x2(n)，即延迟时间T为正值。因此，只需计算m＝0,1,…,N-1范围内互相关分析的结果，这样将计算量减少一半。
[0030] (2)两个压电传感器输出的涡街流量信号x1(n)和x2(n)近似为频率相同的周期性正弦波信号。因此，其互相关分析结果也近似为同周期的正弦波信号。在设计涡街流量计一次仪表时，合理设计两个压电传感器之间的距离L，确保两个压电传感器输出信号间的延迟时间T小于涡街流量信号的一个周期。因此，在互相关分析结果中，第一个局部峰值点所对应的时间为两个信号间的延迟时间T。这样，只需计算m＝0,1,…,N1-1范围内互相关分析的结果。其中，N1小于N，但是，必须保证第一个局部峰值点出现在互相关分析结果中。例如，本发明中N＝4096，N1＝240。
[0031] (3)由于我们的目的是求解两个信号之间的延迟时间T。因此，只需关心互相关分析结果第一个局部峰值点附近的互相关分析的精度。为此，对互相关分析的长度为N的两个信号序列x1(n)和x2(n)进行步长为s的抽点(s必须小于N，且可以整除N)，抽点后的数据长度变为原来的1/s倍，采样周期变为原来的s倍。然后，对抽点后的数据进行互相关分析，并找到互相关分析结果的第一个局部峰值点mjmax。由于采样周期变为原来的s倍，导致互相关分析的精度变差。mjmax所对应的时间与实际的延迟时间T可能存在一定的偏差，但实际的延迟时间T肯定就在mjmax附近。为此，取m等于mjmax左右若干点。在此范围内，对抽点前长度为N点的数据进行互相关分析，将其互相关分析结果的峰值点所对应的时间，作为延迟时间T。这样，既能大大减少互相关分析求延迟时间的计算量，又能保证延迟时间T的计算精度。
[0032] 所述基于互相关分析快速计算延迟时间T算法的具体流程图如图5所示。对长度为N的两个信号序列x1(n)和x2(n)进行抽点。假设抽点的步长为s(s必须小于N，且可以整除N)，抽点后得到的信号为 和 其数据长度为N/s。即
[0033]
[0034]
[0035] 对抽点后得到的长度为N/s的信号 和 进行互相关分析得到其中，mj＝0,1,…,N1/s-1；N1必须大于s，且是s的整数倍。找到 的第一个局部峰值点mjmax，其所对应的时间可能不是实际的延迟时间T，但实际的延迟时间T肯定就在mjmax附近。
因此，取m为mjmax左右各l点，即m＝s·mjmax-l～s·mjmax+l，在此范围内对抽点前长度为N的数据进行互相关分析得到 找到 (m＝s·mjmax-l～s·mjmax+l)的最大值点
mmax。此时，mmax所对应的时间与实际的延迟时间T之间还存在一定的误差，其最大误差为采样周期Ts。因此，需进一步提高延迟时间T的计算精度。
[0036] 本发明专利采用对互相关分析结果进行三次样条插值的方法来进一步提高延迟时间T的计算精度。由于互相关分析是时域分析，其计算得到的延迟时间T只能是采样周期Ts的整数倍。因此，Ts越小，即采样频率Fs越高，T的计算精度就越高。但是，采样频率Fs越高，在大流量时所进行的幅值谱分析的频率分辨率越低，流量计算精度越差。同时，采样频率Fs越高，相同长度信号所包含的数据量越大，N越大，互相关分析的运算量将大大增加。因此，受大流量时幅值谱分析的频率分辨率的限制，以及对相同长度信号所包含的数据量N的影响，ADC的采样频率Fs不能设置的很高，否则将造成采样周期Ts较大。通过对互相关分析结果进行插值来提高时域分辨率，从而提高延迟时间T的计算精度。所述三次样条插值方法的具体内容为：在进行插值之前，首先找到 (m＝s·mjmax-l～s·mjmax+l)的最大值点mmax，其所对应的时间与实际的延迟时间T之间可能存在一定的偏差，但实际的延迟时间T肯定就在mmax左右相邻两点之间。然后，选取mmax左右各k点，作为插值点，并计算三次样条插值函数。最后，对mmax左右相邻两点之间进行细分，即mmax-1～mmax之间以及mmax～mmax+1之间分别平均分为h个间隔，利用计算得到的三次样条插值函数计算细分之后各点的值，并计算其中峰值点所对应的延迟时间T。这样就可以在不增加互相关分析的计算量的前提下，将互相关分析的时域分辨率提高为原来的h倍。图6是对互相关分析结果进行三次样条插值来提高延迟时间T的计算精度的效果图。其中，进行互相关分析的两个信号为标准的正弦波信号，信号频率为100Hz，两个信号间的
相位差为2π/3，即理论延迟时间为0.003333s，采样频率Fs为2000Hz，即采样周期Ts为0.0005s。当不进行三次样条插值时，计算得到的延迟时间为
0.0035s。这是采样周期Ts的整数倍，与理论延迟时间相差较大；而当采用三次样条插值方法时，计算得到的延迟时间为0.00335s。可见，三次样条插值大大提高了延迟时间的计算精度。
[0037] 本发明专利的主监控程序流程图如图7所示。主监控程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现仪表所要求的功能。主监控程序是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不断计算和处理的循环中。基本过程为：(1)系统一上电，立即进行初始化，配置各个需要的模块。其中，信号处理方法选择标志位Flag的值初始化配置为0，即默认互相关分析方法；(2)开启液晶显示和中断模块，等待ADC采集并传输完成4200点数据后，进入主监控程序循环；(3)根据标志位Flag的值，选择相应的信号处理方法。当Flag等于0时，表示当前流量较小，流量值所对应的ReD小于20000，此时选择4096点的互相关分析方法来计算流量；当Flag等于1时，表示当前流量较大，流量值所对应的ReD大于20000，此时选择2048点的幅值谱分析方法来计算流量；(4)若选择的是互相关分析方法，则对数据进行四阶低通滤波，再进行互相关分析，找到互相关分析结果的峰值点mmax，然后，进行三次样条插值，并计算插值后的峰值点所对应的延迟时间T。根据计算得到的延迟时间T，重新确定信号处理方法选择标志位Flag的值。当延迟时间T小于等于时间
阈值TT时，Flag＝1，返回(3)；当延迟时间T大于时间阈值TT时，计算瞬时流量。若选择的是幅值谱分析方法，则根据计算得到的涡街流量信号频率f，重新确定信号处理方法选择标志位Flag的值。当涡街流量信号频率f小于等于频率阈值fT时，Flag＝0，返回(3)；当涡街流量信号频率f大于频率阈值fT时，则计算瞬时流量。注意：在设定频率阈值fT和延迟时间阈值TT时，频率阈值fT所对应的流量值与延迟时间阈值TT所对应的流量值之间应该存在
迟滞，以防止抖动；(5)将计算得到的瞬时流量值进行15点的滑动平均，得到平均瞬时流量值，并计算累积流量。(6)根据平均瞬时流量值计算得到相应的电流环4-20mA
控制信号的大小和脉冲输出的脉冲频率；(7)刷新液晶显示；(8)主监控程序进入下一轮的循环。
