基于递推DFT算法的涡街流量计信号处理系统

　　1引言

　　涡街流量计是利用卡门涡街原理构成的流体振动型流量计，应用日渐广泛，具有结构简单牢固、适用流体种类多、精度较高、压损小等诸多优点。但同时也存在一些问题:c1)涡街流量计对外界振动非常敏感，而工业现场的振动普遍存在，主要是流场干扰和管道振动干扰，这使得现场实际测量精度远远低于实验室标定的精度;c2}测量电路易受工频干扰;C3}量程比受限，不能准确测量低流速信号。理论上涡街流量计的量程比为100: 1，而目前实际一般只达到10:1。这是因为小流量时产生的信号微弱，易被噪声淹没。

　　针对上述问题，很多研究者提出了各种解决方法，并研制了相应的系统:如选用数字滤波加周期图谱频谱分析的信号处理方法处理传感器信号，并选用ADSP中的定点系列ADSP2181为处理器;采用松弛陷波周期图法对涡街流量计信号进行处理;基于小波变换的涡街流量计信号处理方法;前置滤波加频谱分析的信号处理方法。

　　这些方法对干扰信号有较强的抑制作用，能有效地提高测量精度，但是存在计算量偏大，不能满足实时处理的要求等问题。为此，本文对涡街流量计数字信号处理系统进行了重新设计。选用LPC2103芯片作为系统处理器，采用递推DFT算法对涡街流量计中传感器的信号进行数字处理，实现信号频率的准确提取，从而计算出流体流量。

　　2涡街流量计的原理

　　涡街流量计的工作原理如图1所示。在流体中设置漩涡发生体，流体经过漩涡发生体时会在其两侧交替产生有规则的漩涡，当两漩涡列之间的距离h和同列的两相邻漩涡之间的距离l满足h/L=0.281时，这样的漩涡列就能保持稳定，称为卡门涡街。漩涡列在漩涡发生体下游非对称排列。设漩涡发生频率为f被测介质平均流速为Y,漩涡发生体两侧平均流速为Y} ,漩涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D, }S,为斯特劳哈尔数，m为漩涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。根据卡门涡街原理，有如下关系式:

　　那么管道内的体积流量为：

　　由公式可知，当St近似为常数时，漩涡产生的频率与流体的流量成正比，测得漩涡频率f就可以求得体积流量Q。

　　3 系统概述

　　系统硬件框图如图2所示。系统基本工作过程为：涡街流量计中的压电晶体，在漩涡产生的交变压力作用下，产生交变的电荷信号，经过仪表放大器、抗混叠滤波器的处理变成微处理器能够识别的电压信号，继而送到A/D转换器。另外考虑到测量时流体受温度、压力的影响，系统还对信号进行了温压补偿，补偿结果一并送入A/D转换器。LPC2103微处理器定时启动A/D转换器，转换结束后，向处理器发出中断请求信号。处理器响应中断请求，读入采样数据，送入数据缓冲区。利用递推DFT算法对数据缓冲区中的数据进行处理，计算功率谱，从而确定流量计信号的主频率，既而得到流量等流体参数。计算出的各种结果送LCD显示，同时通过D/A转换器变成标准的4~20mA电流，送到计算机或仪表等用户设备。