关于数字涡街流量计的设计

研究背景与意义

1.涡街流量计概述

当流体中安放一个非流线型旋涡发生体时，流体将会在发生体两侧交替分离，并释放出两串规则的交错排列的旋涡。在一定范围内，旋涡分离频率与流量成正比。根据这种原理实现流量测量的流量计叫做涡街流量计。涡街流量计具有压力损失小，量程宽，精度高，构造简单牢固，维护方便，安装费用低，使用寿命长，适用范围广等优点，因此被广泛应用于工业管道介质流体的流量测量。

2.涡街流量计的研究现状

尽管涡街流量计具有众多优点，并在工业生产中得到广泛的应用。但现有的涡街流量计仍存在一些问题，影响到它的进一步推广应用。例如，涡街流量计下限量程高，抗机械振动干扰能力差，在线参数修改不便。因此，解决涡街流量计小流量测量，抗干扰等问题，对于改善现有涡街流量计的测量精度与可靠性具有重大意义。同时，优化涡街流量计的操作界面能极大方便用户的使用。

3.涡街流量计研究的意义

正如上文所述，涡街流量计具有诸多优点，同时也有许多亟待解决的问题。我们的研究将针对解决小流量测量，抗干扰以及优化操作界面这三个问题展开。通过引入温度、压力补偿，数字信号处理，以及USB数据传输等方法，解决长期阻碍涡街流量计发展应用的瓶颈问题，进一步提高涡街流量计的可靠性，精确性与实用性，推动涡街流量计在工业中的应用。

课题研究的特色

2.1 创新性

⑴当前的涡街流量计没有考虑温度、压力等环境因素对流量测量的影响，测量精度无法提高。我们的研究将增加温度、压力补偿功能，使测量过程不受环境因素影响，结果更加准确可靠;

⑵由于当前的涡街流量计采用计数方式计算流速，因此，当流速较低时，计数脉冲信号减弱，造成小流量测量结果不准。我们的研究将使用软硬件合成滤波的方法，提取并放大微弱的低流速信号，实现低流速的准确测量;

⑶当前的涡街流量计使用查表和线性拟合的方式计算流量，由于拟合误差的存在，测量结果误差较大。我们的研究将利用解析计算公式，并加入温度压力补偿，实现流量的精确计算;

⑷当前的涡街流量计难以消除管道内部的振动噪音，从而造成较大的测量误差。我们的研究将应用数字傅里叶算法，消除涡街信号中的噪音成分，提高涡街流量计的抗干扰能力;

⑸通过增加USB数据传输功能，实现流量数据的在线下载与测量参数的在线修改，使得流量计的使用更加方便灵活。

2.2 可实现性

⑴PIC32系列单片机的高速计算性能使得复杂数字信号处理和计算成为可能;

⑵PIC32系列单片机的丰富外设简化了涡街流量计外部电路的设计，使得流量计体积更小，成本更低，可靠性更高;

⑶PIC32系列单片机的OTG模块减少了USB数据传输协议的解析量，缩短了USB数据传输的开发周期。

方案设计

3.1 硬件设计

整套系统由主机与从机两部分组成。主机为现场仪表，具备流量测量、显示以及数据记录等功能。从机为手持管理仪表，使用者通过USB连接线，实现对现场仪表的管理。管理内容包括测量数据的下载和测量参数的修改。具体硬件设计如下图所示。

3.2 软件设计

软件程序由三部分组成。第一部分为启动初始化程序，它完成涡街流量表的初始状态设定。第二部分为测量主程序，它实现流量信号的采集，处理，计算与显示。第三部分为USB数据传输中断程序，它由按键触发，实现主机与从机间的数据交换。

3.3 单片机选型

根据设计需求，所选单片机应具有以下基本配置：

⑴80MHz主频;

⑵32位总线设计;

⑶32kB RAM空间;

⑷128kB Flash 存储空间

⑸2路中断信号通道

⑹4路A/D转换通道;

⑺4路I/O转换接口;

⑻USB OTG硬件解析模块;

⑼1路D/A转换通道。

因此，我们选择PIC32MX440F128H及以上版本的单片机作为涡街流量计的处理芯片。