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1、壓縮空氣流量計(jì)簡介
  壓縮空氣流量計(jì)是一種無運(yùn)動(dòng)部件的流量計(jì)，這個(gè)特性使其在使用過程中增長使用壽命。壓縮空氣流量計(jì)是一種數(shù)字式流量計(jì)，大致可分為以下幾類：
（1）圓柱壓縮空氣流量計(jì)。圓柱形的漩渦發(fā)生體外部形狀較簡單，但對測量管道內(nèi)流速的精度有影響。這種流量計(jì)具有較高的St 數(shù)（約0.20），通過采取抽吸作用邊界層控制技術(shù)，再加上恒溫電路來檢測橫向脈動(dòng)頻率。一般地，圓柱壓縮空氣流量計(jì)多采用熱絲檢測。
（2）矩形柱壓縮空氣流量計(jì)。矩形柱壓縮空氣流量計(jì)矩形柱體的長寬比b/d 對漩渦強(qiáng)度有明顯的影響，漩渦強(qiáng)度和阻力損失是b/d 的函數(shù)。當(dāng)b/d=0.67 時(shí)漩渦達(dá)到zui強(qiáng)程度，此時(shí)的阻力系數(shù)Cd 也增到一個(gè)極大值， b/d=0.67的矩形柱St 數(shù)約為0.166。目前采用的檢測方法是差動(dòng)電容檢測脈動(dòng)壓差。
（3）三角柱壓縮空氣流量計(jì)。當(dāng)前采用較多的漩渦發(fā)生體是三角柱形的，其形狀通常由試驗(yàn)確定。它不單或者失去比圓柱更強(qiáng)烈的漩渦，而且它的沿海層撮合點(diǎn)是固定的，即其斯特羅哈數(shù)St 恒定，大約為St＝0．16。那么f＝0．16u/d，其中d 為三角柱的底邊寬度。這是一種具有較好發(fā)展?jié)摿Φ闹?，柱體斷面是等腰三角形切去3 個(gè)頂角，較大的長寬比b/d（長度為b，寬度為d）有利于高流速時(shí)渦街的形成和穩(wěn)定，而較小的b/d 則漩渦較強(qiáng)，在低Re 下具有較好的性能。
（4）組合柱型壓縮空氣流量計(jì)。為了使漩渦的性能更加穩(wěn)定，漩渦的強(qiáng)度更加可靠，使用多種形狀組合成的柱型。但是由于這種柱型的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在安裝及制作過程中產(chǎn)生不必要的麻煩，可利用性較差，一般不被大多數(shù)場所采用。本文通過設(shè)計(jì)懸浮差動(dòng)式流量傳感器，主要是能夠讓壓縮空氣流量計(jì)可以智能化的對流速較低、流量較小的場合進(jìn)行測量，盡量提高有效流量信號的幅值而降低振動(dòng)干擾噪聲的幅值。
2、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 懸浮差動(dòng)式流量傳感器
圖1 為流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

在平板兩側(cè)對稱固定了2 個(gè)檢測單元，圓柱形的殼體在每個(gè)檢測單元中，通孔位于殼體與平板軸線相平行的位置，并且和平板的軸向出線孔是連在一起的，一個(gè)金屬材質(zhì)的質(zhì)量塊將2 片壓電陶瓷片連在一起，并緊密的焊接在一起成為了一個(gè)整體。2 個(gè)壓電陶瓷在每個(gè)檢測單元安裝時(shí)都具有上下相等的受壓力，而且在制作工藝上這2 個(gè)壓電陶瓷片是要*一致且對稱的，因此可以保證這2 個(gè)壓電陶瓷在被相等的壓力作用時(shí)能夠產(chǎn)生相等的電荷。
這種結(jié)構(gòu)形式對于振動(dòng)干擾噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，因此利用該結(jié)構(gòu)的渦街流量傳感器（懸浮差動(dòng)式）對于減弱在旋渦的上升力方向的振動(dòng)性影響是非常有幫助的，同時(shí)對于在旋渦的上升力方向的平面范圍內(nèi)且與之垂直的振動(dòng)干擾噪聲也有很好的排除作用。
由于各種振動(dòng)和脈動(dòng)所引發(fā)的噪聲干擾使壓電陶瓷片的兩側(cè)作用力相同，所以引發(fā)了這兩邊的壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相當(dāng)?shù)碾姾?。懸浮差?dòng)式的結(jié)構(gòu)可以使兩側(cè)的壓電陶瓷片接收到的干擾信號互相抵消，即有效的除去3 個(gè)方向的振動(dòng)干擾噪聲。
綜上所述，采用懸浮差動(dòng)式渦街流量傳感器可以很好的消除垂直于旋渦上升力方向內(nèi)的二維平面的振動(dòng)干擾，同時(shí)可以抑制位于旋渦上升力方向的振動(dòng)性干擾。
2.2 傳感器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
文中需要對安裝傳感器的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此來確保有較好的抑制干擾噪聲的能力，并且使電荷信號在被旋渦觸發(fā)時(shí)達(dá)到zui大。如圖2 所示，該曲線展現(xiàn)的是測量發(fā)射信號的幅度與旋渦發(fā)生體的迎流面和旋渦發(fā)生體之間的距離D1 間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。圖中的橫坐標(biāo)表示的是距離D1，縱坐標(biāo)表示的是差壓信號，該信號是被電荷放大器放大后測得的（流量都為70 m3/h）。
從實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖中可以看出，要想使信號的幅值能達(dá)到zui強(qiáng)，則距離D1 要取值為55~70 mm 之間。通過綜合考慮信號的幅度強(qiáng)度、信號的穩(wěn)定性在時(shí)域和頻域及很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文中的設(shè)計(jì)方案確定了距離D1 的值為65 mm，當(dāng)采用此值時(shí)可以保證安裝傳感器的位置能有較好的性能。

3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于要兼顧三路不同的輸入信號:流量信號、溫度信號和壓力信號。由于信號形式不同所以本系統(tǒng)需要分別處理不同信號的模擬通道。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖3 所示。

從圖中可以看出，本系統(tǒng)進(jìn)行了2 次電源的轉(zhuǎn)換：
首先為了實(shí)現(xiàn)24 V 向5 V 的轉(zhuǎn)換，采用了一片DC/DC 轉(zhuǎn)換器來完成工作；其次為了實(shí)現(xiàn)5 V 向3.3 V 的轉(zhuǎn)換，選用了TI 公司的TPS7233 芯片來實(shí)現(xiàn)功能。
經(jīng)過綜合比較選用了2407A 作為本系統(tǒng)的處理器，它是DSP 的應(yīng)用芯片之一為TI 公司設(shè)計(jì)的2000 系列產(chǎn)品。2000 系列的DSP 內(nèi)核采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有8 組總線:1 個(gè)程序總線、3 個(gè)數(shù)據(jù)總線和4 個(gè)地址總線，將程序空間和數(shù)據(jù)空間分離，獨(dú)立尋址，可以同時(shí)訪問程序空間和數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行多級的流水線操作。
三路不同的模擬通道的目的是使被A/D 轉(zhuǎn)換器離散量化成數(shù)字信號的誤差為zui小誤差，該信號要確實(shí)符合數(shù)模轉(zhuǎn)的要求。同時(shí)能夠進(jìn)行電路處理對從傳感器輸出的比較弱的信號。
鍵盤共有四鍵，分別實(shí)現(xiàn):設(shè)定、移位、遞增和確認(rèn)功能，為非編碼鍵盤設(shè)計(jì)其電路如圖4 所示。

LCD 和時(shí)鐘芯片均是5 V 供電，本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)5V 向3.3 V 電平的轉(zhuǎn)換，選擇了16 位的電平轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？紤]到液晶顯示器（LCD）可以工作于夜間，并能顯示清晰，可以安裝在任意地方，光線足夠強(qiáng)。因此選擇了一種全屏幕圖形點(diǎn)陣方式的液晶顯示器HS12864，該液晶顯示器的點(diǎn)陣大小為64×128，并且內(nèi)部帶有自己的控制器、驅(qū)動(dòng)器和LED 背光板可以實(shí)現(xiàn)上述功能。
數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模塊是一塊串行芯片，并要能通過2407A 的SPI（同步串行接口）實(shí)現(xiàn)對數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送，因此選用的是AD420。

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