基于ARM的多参数自适应气体涡街流量计的设计

摘要

基于卡门涡街原理的涡街流量计因压力损失小、稳定性好、适用于测量多种介质等优点，被广泛应用于测量液体、气体和蒸汽的流量。但是，目前的涡街流量计存在着两个问题:一是低流速时涡街信号测量不准，量程比受限;二是目前市场上推出的涡街流量计产品，二次仪表与一次仪表都是配套使用，测量区间和测量口径比较的固定。工程中应用中，针对不同的测量口径和测量介质，需要分别定制与之配套的二次仪表，提升了使用成本。针对这两个问题，本文设计一种基于ARM的多参数自适应涡街流量计。对信号处理电路进行了的改进，通过采用模拟滤波和数字频谱分析相结合的方法，对涡街传感器输出信号进行采集和处理，提升了涡街信号的测量准确度，降低了测量下限，也同时满足了不同仪表口径和不同介质的测量需求。
　　本文首先分析了一次仪表中压电传感器输出的涡街信号及噪声的特点，根据信号的特征，设计了前置放大电路，主要包括电荷放大器、程控增益放大器、低通滤波器、施密特整形电路和光电耦合电路。前置放大电路完成对涡街传感器输出的信号的电荷/电压转换、放大、滤波、整形等预处理，输出两路信号:一是经低通滤波器后输出近似正弦的涡街信号;二是经施密特电路后整形出与涡街信号频率相等的方波脉冲信号。控制器选用低成本、低功耗、内嵌Cortex-M3内核的STM32F107VCT6，完成对信号的采集、分析、计算，显示的功能。
　　软件部分主要完成涡街信号的采集、程控放大倍数调整、频谱分析、频谱校正、频率计算和显示等功能。开发工具是Keil uVision4 for ARM，采用C语言来编程。本文结合涡街信号频率、幅值跨度范围较大的特点，采用固定采样点数，变采样频率的FFT算法，根据FFT计算结果，计算功率谱，进行频谱校正;最后根据功率谱信息求出涡街信号的频率，既降低了测量下限，又满足了系统低功耗的要求。
　　本课题较好地完成了预期的设想，设计与实现了系统的硬件电路，完成了系统软件的编写和调试，并在实验室进行了气体流量测试，实验结果表明:该系统具备抗干扰能力强，测量精度高，扩大了量程比，可用于测量小流量，适用范围更广的优点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 涡街流量计概述

1．2 涡街流量计信号处理技术发展现状

1．2．1 涡街流量计数字信号处理的国外研究现状

1．2．2 涡街流量计数字信号处理的国内研究现状

1．3 课题研究的目的及意义

1．4 课题研究的主要内容

第二章 涡街流量计原理及其算法的研究

2．1 涡街流量计的原理

2．1．1 卡门涡街的形成

2．1．2 涡街流量计工作原理

2．1．3 涡街流量计的输出信号分析

2．2 涡街信号处理算法研究

2．2．1 数字滤波法

2．2．2 自适应陷波法

2．3 FFT算法简介

2．3．1 基于FFT的周期图法

2．3．2 快速傅立叶变换

2．3．3 频率分辨率及FFT参数的选择

2．3．4 频谱分析中存在的误差

2．4 改进方案

2．4．1 变采样频率

2．4．2 频谱校正

2．5 MATLAB仿真实验

2．6 本章小结

第三章 涡街流量计的硬件模块设计

3．1 整体方案设计

3．2 前置放大电路

3．2．1 电荷放大器电路

3．2．2 程控增益放大器电路

3．2．3 低通滤波器电路

3．2．4 施密特电路电路

3．2．5 光电耦合电路

3．3 主控模块

3．3．1 微处理器的选型

3．3．2 处理器模块

3．3．3 JTAG下载模块

3．3．4 LCD模块

3．3．5 USART模块

3．4 电源模块

3．5 压力采集模块

3．6 温度测量模块

3．7 PCB设计

3．8 本章小结

第四章 涡街流量计的软件设计

4．1 软件开发平台

4．2 软件设计思路

4．3 各模块的软件设计

4．3．1 程控放大器倍数调整模块

4．3．2 低通滤波器截止频率调整模块

4．3．3 流量计算模块

4．3．4 压力采集及数据处理模块

4．3．5 温度采集及数据处理模块

4．3．6 LCD显示模块

4．4 本章小结

第五章 涡街流量计测试和实验

5．1 电路测试

5．1．1 电荷放大器电路测试

5．1．2 程控增益放大器电路测试

5．1．3 低通滤波器电路测试

5．1．4 前置放大电路测试

5．2 整体测试

5．2．1 实验装置

5．2．2 气体流量实验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文完成的主要工作

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢