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涡街流量计智能显示的开发设计

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-09-13 09:39:35

  我国从20世纪70代年初开始研发涡街流量计,到20世纪80代年形成以应力式涡街流量计为主导的产品群,并广泛应用工业流量测量。从20世纪90年代初期开始,涡街流量计的发展放慢了步伐。由于对这种新型仪表的生产、设计、选型、应用方面的经验不足,面对各行各业千差万别的现场和测量对象,有些问题逐步暴露出来。例如:适用对象与测量范围问题、量程与测量管径的选择问题、安装影响问题、应力式涡街流量计抗现场干扰(包括管道振动和电磁干扰)问题,涡街流量变送器与自控系统的适配问题等等。这些问题导致涡街流量计在部分现场应用不能取得满意的效果,用户有意见,设计单位有苦衷,生产企业疲于应急。经过多年的市场调研和对国内外技术的跟踪,我们提出了改进涡街信号处理方案,在常规的模拟信号处理方法的基础上,结合数字信号处理方法,运用频谱、功率谱技术,对涡街流量传感器输出的信号进行有效甄别,剔除混杂的干扰信号,从而提高仪表抗干扰的能力和拓展测量范围。

    目前,涡街流量计正朝着一体化、智能化、数字化的方向发展。国内市场上还未见到基于数字信号处理方式的同类产品,因此,该技术的成功开发应用可使涡街流量计技术水平上有显著的提升,市场份额也将得到大幅提高。
 1、应用数字信号处理方法处理涡街传感器输出信号

    针对涡街流量计存在的易受现场振动干扰影响,无法保证现场测量精度和量程比受限、不能测量小流量这两个关键技术问题,提出采用数字信号处理方法从含有噪声的涡街流量传感器输出信号中提取流量信息。分别提出采用基于FFT的功率谱分析方法、自适应陷波滤波方法和基于小波变换的方法,去处理涡街流量传感器输出信号。

    过程工业更多地需要两线制、低功耗的仪表。针对这一情况,我们提出采用低功耗单片机MSP430F1611做少点数FFT结合硬件模拟滤波器组的信号处理方式,来实现涡街信号的处理,并采取一系列措施,保证测量精度。再设计有效的电流管理和电流输出模块,研制出低功耗、两线制数字涡街流量计,既能从噪声中提取涡街信号、保证现场测量精度、扩展量程比,又能做到低功耗和两线制工作。

2、 研制基于MCU的低功耗两线制数字涡街流量计

    由于数字信号处理算法比较复杂,需要进行大量的运算,而仪表有实时性的要求,所以,必须采用DSP芯片来完成算法的运算任务。但是,DSP芯片的功耗大,一般工作电流都在100mA以上,不能满足过程仪表两线制输出4~20mA电流的要求。为此,我们用低功耗单片机MSP430F1611做少点数FFT结合硬件模拟滤波器组的信号处理方式,来实现涡街信号的处理,再设计有效的电流管理和电流输出模块,既能从噪声中提取涡街信号、保证现场测量精度、扩展量程比,又能做到低功耗和两线制工作。

    2.1 硬件开发

    涡街流量计采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换(FFT),实现周期图谱分析,确定涡街信号的频率值。设计一组硬件带通滤波器,其通带覆盖涡街信号所在的频带,根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器,进行最佳滤波,最大限度地消除各种谐波和现场噪声对测量的影响,提高测量精度。采用数字电位器和运算放大器组成程控放大器,通过峰值检测确定涡街信号的幅值,调整程控放大器的放大倍数,使信号的幅值达到最佳范围,适应大流量和小流量的测量的需要,扩展量程比。选用低功耗的单片机芯片,并设计与之配套的输出电路和电源管理电路,保证仪表静态工作电流小于4mA,输出电流为4~20mA,实现两线制供电的工作方式。

    该系统的硬件框图如图1所示,包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4~20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位模数转换器。

    压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号,由于幅值非常小,需再经过一级固定的电压放大器和一级程控放大器。放大后的信号经过低通滤波器,滤除信号中的高频干扰,然后分为2路。第1路信号由电压跟随器(缓冲器)输出,被单片机自带的ADC采样和转换,变成数字量。单片机对信号进行少点数的FFT,做周期图谱分析,得到信号的频率值,来选择带通滤波器组的通道。第2路信号送至带通滤波器组,进行滤波,由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号。经过带通滤波器组的输出信号分为2路。第1路送至峰值检测电路,峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ADC的输入端,单片机对信号的峰值进行采样和转换,并根据峰值来调整程控放大器的放大倍数,使信号的幅值达到最佳范围。第2路送至由比较器组成的整形电路进行整形,整形后的信号送至单片机的定时器输入端,采用捕获方式,利用多周期等精度方法进行计数。单片机根据计数结果,将流量信息显示在LCD上,并通过自身的DAC转换,送至4~20mA输出与电源管理电路,经过V/I转换成4~20mA电流信号输出。

 

    2.2 软件研制

    该系统软件总体框图如图2所示,由主监控程序模块、保护模块、中断模块、初始化模块、程控放大器调整模块、计算模块、电流输出模块和人机接口模块组成。其中,初始化模块包括LCD初始化、流体介质和仪表口径初始化、峰值检测模块初始化、4~20mA电流输出模块初始化、温度和压力补偿模块初始化、掉电保护模块初始化、流量计算模块初始化和带通滤波器选择初始化。

    主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序,调用各个模块中的子程序,实现本系统所要求的功能。主监控程序的流程如图3所示。它是一个循环程序。基本过程为:系统上电后,立即进行初始化;初始化后,首先查询FFT计算标志位是否置位,若置位,则调用FFT计算模块,对经过电荷放大、电压放大、低通滤波和电压跟随后的涡街传感器信号做FFT计算、频谱分析和校正,估计出最大能量所在的频率,根据这个频率来选择带通滤波器,并设置峰值检测时间的间隔,处理完成后清除标志位;然后,查询发触发捕获信号的标志位是否置位。

    2.3 HART现场总线通讯功能的加载研制

    2.3.1 硬件加载

    HART通讯电路对功耗和抗干扰要求更高,在保留了智能数字涡街电路信号处理优势的条件下,针对数字涡街电路的不足,重新设计了硬件平台,改进两线电流环电路设计,降低电路输入电容、电感,使之达到防爆设计要求。同时为了降低功耗,在保证MCU实现数字信号处理功能的条件下,降低MCU工作主频,实现了HART通讯电路有效加载,达到了设计要求。

    2.3.2 软件加载

    在保留少点数快速傅立叶变换(FFT),周期图谱分析等优势算法的情况下,吸收和优化智能数字涡街程序,消除因降低功耗修改主频带来的算法运行上的困难,成功嵌入HART通讯软件包。

    2.4 仪表所具备的各种补偿功能

    与其它智能流量计一样,针对各种测量介质和复杂的工作状况,在仪表的软件开发中,我们赋予仪表各种补偿功能。

    2.4.1 仪表系数K的修正

    通常涡街流量计的仪表系数K是通过液体或气体流量标准装置在常温、常压条件下标定后确定的。如果仪表用于高温流体(例如蒸汽)测量或用于低雷诺数区域的流量测量时,还用实验室标定的仪表系数则会产生很大的测量误差。因此当仪表的工作条件偏离标定条件较远时需对仪表系数K进行修正。

    当雷诺数ReD低于涡街流量计线性工作区时,仪表系数K将出现严重的非线性。为了提高低雷诺数区域测量的精确度,需对仪表系数K进行修正。    

    2.4.2 介质温度对仪表系数K影响的修正

    当涡街流量计测量高温(例如饱和蒸汽、过热蒸汽、热风、热水等)介质时,仪表的表体(测量管)和发生体都处在高温介质中,测量管内径D和发生体的宽度都会由于热膨胀而改变尺寸,进而影响涡街流量计的仪表系数K,所以测量高温介质时仪表也具有对仪表系数K进行修正的功能。

    2.4.3 管径差异影响的修正

    当涡街流量计与配管连接时,涡街流量计测量管内径与上下游配管的内径存在差异时,仪表具有对这种差异引起的误差进行修正的功能。

    2.4.4 流体工作状态物性参数的补偿

    涡街流量计是速度式流量计,它测量的是工作状态下的体积流量。流体的工作状态不同时,对于相同的旋涡频率,所代表的体积流量或质量流量是不同的。在这种情况下,如果不以质量流量或标准状态体积流量来表示真实的流量,就会出现很大的差异,应对流体的不同工作状态进行补偿。

    本流量计对不同状态的气体、液体密度,不同组分的气体密度,不同干度的饱和蒸汽密度,不同状态的过热蒸汽密度,不同状态气体的压缩系数都具有补偿功能。

3、样机试制

    完成基于MSP430F1611的低功耗智能数字涡街放大器制作后,前后进行样机实流标定试验近40台次,其间针对抗干扰性能设计了特别的实验(如制造脉动流、管道振动、减少直管段长度、安装问题等等)。针对出现问题放大器多次修改参数和软件。样机验证工作完成后,液体Φ150以下、气体Φ25以上流量测量均可达到15~20:1的范围,液体最低测量流速可达0.2m/s,气体最低测量流速可达2m/s,放大器在通用性、适用性和抗干扰性能上较现有产品有大幅度的提高。

    按照JJG1029-2007《涡街流量计检定规程》的要求我们对样机进行了全性能型式试验,样机均达到各项指标的要求。

    根据现行防爆标准的要求完成DBLU型智能数字涡街系列的本安防爆认证工作,达到EXiaⅡCT5的本安防爆等级。

    另外,为了保证产品稳定可靠的质量,在满足基本技术条件的同时在可靠性保证大纲内增加了超载试验,噪音及振动试验,变换介质试验以及无故障连续工作试验等项目来进一步确保产品的可靠性。经试验后也取得了较满意的效果。

   抗干扰性能强,且功能完善的DBLU型智能数字涡街流量计系列产品的研发成功,使涡街流量计跨上了一个新台阶,具有了更广阔的应用前景。到目前为止已在各种现场应用上1000台,效果良好,售后服务费用节约大约50%。
 

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