3 基于MSP430数字涡街流量计的硬件结构分析
3.1 MSP430数字涡街流量计的整体结构
图3所示为一数字涡街流量计的整体结构图,采用了以MSP430单片机为数据处理核心的单CPU硬件结构。仪表的整体结构可以分为对压电传感器输出的涡街信号进行处理的前置放大器电路、单片机采集、信号处理和输出电路。
检测涡街频率信号采用应力式检测方式。把膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发生体后,当旋涡在旋涡发生体附近产生后,就会作用在检测元件上面产生一个交替的升力,该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同,这个升力加上管道噪声和流体振动噪声同时作用在检测元件上,使其产生应力变化,应力差作用于膜片上,使检测元件内的压电晶体元件的诱导电荷发生变化,将电荷变化量引出,它是微弱的含有各种噪声的电荷信号(幅值在几毫伏左右),此即压电传感头的输出信号,亦是涡街前置放大器电路的输入信号。压力传感器的输出信号要经过模拟信号处理才能输入单片机进行数字信号处理。
模拟信号处理通过以运算放大器为主体的模拟电路实现:①通过输入级的电荷放大器将流量计压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号;②通过程控放大器实现对电荷放大器输出信号的程控放大;③通过模拟低通滤波器实现了信号ADC(模数转换)之前的滤波。
3.2 数字涡街信号的前置放大电路分析
前置放大电路的任务是将检测元件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉冲信号[6]。前置放大电路主要由电荷放大器、低通滤波器、限幅器和施密特触发整形器四部分构成,而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路来实现[2]。本文研究的数字涡街流量计选用压电式涡街传感头,此压电传感头的输出信号,亦是涡街前置放大器电路的输入信号。
由于压电传感器输出的电信号是很微弱的电荷信号,且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,必须放大传感器输出的微弱信号,并将压电式传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。而电荷放大器实际上是一个以电容为反馈元件的具有深度负反馈的高增益运算放大器,不同于一般电压放大器的是,其输入信号是电荷,输出信号为电压。图4为电荷放大器的电路图。
影响前置放大器电路正常工作的主要来自周围的电磁场干扰,可分为高频电磁辐射干扰和低频电磁干扰。高频电磁辐射干扰大多来自空间电磁场的作用,因频率较高且与涡街的频带(一般为几赫兹和几千赫兹)相差较远,可以通过金属防护罩屏蔽和低通滤波的方法加以解除。至于低频电磁干扰(50Hz),由于其频率处于涡街信号的频带之内,金属外壳无法防御,故消除低频电磁干扰是前置放大电路的关键。
为了衰减信号中的高频成分,在电路中加入了低通滤波器。为了保证流量信号在低频、高频都有高的信噪比,都有很强的抗干扰能力,因此,要把低通滤波器的截止频率定在低频段,来滤除普遍存在的50Hz的工频干扰、流场的低频摆动噪声等低频干扰噪声,保证在小流量情况下,仍有较高的信噪比,进行正确的测量。但是,截止频率也不能定的很小,否则会对高频信号衰减得过大,导致高频段的信噪比降低,影响测量。因此,必须选择一个适当的截止频率;当然,不同口径和不同介质(气、液)涡街的截止频率也会不同。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路,它其实是具有双门限值的反相输入迟滞比较器,由于对输入输出信号具有迟滞作用,所以能够有效地防止由噪声产生的振荡。施密特触发器在性能上有两个重要的特点:第一,输入信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同;第二,在电路状态转换时,通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边缘变得很陡。利用这两个特点,不仅可以将边缘变化缓慢的信号波形整形为边缘陡峭的矩形波,而且可以将叠加于矩形脉冲高信号、低电平上的噪声有效地清除。
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