摘 要：渦輪流量計被廣泛應(yīng)用于過程測量和控制儀表。但是，渦輪流量計容易受被測流體粘度的干擾，導(dǎo)致現(xiàn)場測量精度不高、量程比受限。針對渦輪流量傳感器的非線性特性，本文研制了基于 ＭＳＰ４３０的渦輪流量計實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)，將傳感器測量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過線性插值法處理，然后存儲在帶電可擦可編程只讀存儲器中，實現(xiàn)了對渦輪傳感器的非線性校正，從而渦輪流量計的測量范圍明顯地得到擴(kuò)大。同時該儀表還具有４～２０ｍＡ 電流輸出、頻率輸出以及ＲＳ４８５通信功能，便于和工業(yè)儀表兼容。
1、引言：
渦輪流量計結(jié)構(gòu)簡單、精度高、范圍寬、重復(fù)性好、壓力損失小以及安裝維修方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣體和液體流量的測量。但在工業(yè)現(xiàn)場，由于受到管道振動和流場擾動引起的噪聲干擾，使得傳感器輸出信號中含有不同噪聲，渦輪流量信號中極易混入噪聲，測量精度大大降低。因此，提高儀表精度的關(guān)鍵是從含有大量噪聲的渦輪流量信號中提取出有效信號。
針對這一問題，國內(nèi)外科研工作者針對渦輪流量計開展了大量的研究，并取得了很多成果。大致可以分為數(shù)宇處理和模擬處理兩類。放大、濾波、整形和計數(shù)等抑制噪聲能力不強(qiáng)的傳統(tǒng)模擬方法，導(dǎo)致小流量不能檢測到或測量精度很低，量程比受限。數(shù)宇信號處理方法中國外多用專業(yè)芯片實現(xiàn)，很難剖析內(nèi)部細(xì)節(jié)，國內(nèi)主要有基于FFT的經(jīng)典譜分析、基于Burg算法的現(xiàn)代譜分析、小波分析、功率譜分析和自適應(yīng)陷波等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在小流量的檢測方而仍未能得到很好的解決。
本文在分析渦輪信號及其噪聲特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種基于定點(diǎn)系數(shù)修正法的渦輪流量計，對傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用實驗驗證儀表測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。
2、渦輪流量計的工作原理：
采用渦輪進(jìn)行測量的流量計。當(dāng)被測流體流過傳感器，在流體作用下，液體流向與葉輪的葉片存在一定的偏傳所，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于管道液體的平均流速，時角感器將液體流速轉(zhuǎn)換成與瞬時流量成正比的頻率信號。以，可以通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速來測流量。葉輪周期性改變感應(yīng)線圈磁回路的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的周期性感應(yīng)電勢，即電脈沖信號，經(jīng)信號放大器放大后，送至顯示儀表顯示。
將流量和虱度確定在某一范圍內(nèi)，渦輪表頭輸出的脈沖頻率、f正比于管道中流體流過的體積流量叮。即:
q=f/K式中:K,.f分別為儀表系數(shù)和流量計輸出信號的頻率瑪為體積流量。只要確定了渦輪流量訓(xùn)一的量程范圍，儀表系數(shù)K在一定范圍內(nèi)為一常數(shù)，其數(shù)值由流量校驗裝置校驗得出。儀表系數(shù)K值都會在每一臺渦輪儀表說明書中標(biāo)明。
由表達(dá)式（１）可以看出，儀表系數(shù)
Ｋ 代表了單位體積流體中脈沖數(shù)量，用傳感器測到的信號脈沖頻率
ｆ，除以儀表系數(shù)
Ｋ，就可以得到體積流量
Ｑ。即：
３、硬件系統(tǒng)低功耗設(shè)計：
系統(tǒng)的硬件框圖如圖１所示。主要由渦輪傳感器、放大濾波電路、電壓跟隨器、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、４～２０ｍＡ輸出、電源管理電路、頻率輸出和ＲＳ４８５通信組成。
對流量信號的測量充分使用了 ＭＳＰ４３０單片機(jī)內(nèi)部的資源，即 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、比較器、定時／計數(shù)器等，節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件。ＡＤ７３９１芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過由 ＸＴＲ１１５組成的Ｖ／Ｉ轉(zhuǎn)換電路輸出４～２０ｍＡ 電流信號。電源轉(zhuǎn)換模塊將２４Ｖ 轉(zhuǎn)換為５Ｖ、３．３Ｖ 和２．０４８Ｖ，滿足運(yùn)算放大器、單片機(jī)以及其他芯片的供電需求。 單片機(jī)和 Ｖ／Ｉ轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成４～２０ｍＡ 變送器，變送器的耗電電流隨傳感器輸出而變化，電流表只需要正確串聯(lián)在電路中即可測量出電流值，其數(shù)值通過計算可以得到當(dāng)時的瞬時流量值。
３．１ 單片機(jī)芯片的選型
在眾多方法中，器件選型無疑對低功耗設(shè)計的實現(xiàn)起到***關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)采用了 ＴＩ公司推出的１６位超低功耗的 ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８作為主控芯片
，主要在于 ＭＳＰ４３０系列芯片的功耗優(yōu)勢
［１２］。
由活躍模式下電流消耗相對于系統(tǒng)頻率：
| ＩＡＭ ＝Ｉ′ＡＭ ×ｆｓｙｓｔｅｍ | | （） |
| | ３ |
| 由活躍模式下電流消耗相對于供電電壓： | |
| （ | ） | （） |
| ＩＡＭ ＝Ｉ′ＡＭ ＋１７５× Ｖｃｃ－３ | ４ |
圖２ 各模式轉(zhuǎn)換框圖
由圖２可知，ＭＳＰ４３０在不同模式下的功耗相差很大，較低功耗０．１
μＡ，在活動模式下的功耗取決于系統(tǒng)的工作頻率與供電電壓，特別是系統(tǒng)頻率。當(dāng)系統(tǒng)主時鐘頻率為１ＭＨｚ時，工作電壓為３Ｖ，電流消耗為３７０
μＡ，根據(jù)式（４）和（５）可計算出，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為４ＭＨｚ，工作電壓３．３Ｖ，電流消耗相當(dāng)于１．６９ｍＡ。因此，系統(tǒng)在運(yùn)行時，根據(jù)渦輪信號的變換率，選擇不同的工作模式，以降低系統(tǒng)的功耗。
３．２ ４～２０ｍＡ輸出和電源供電模塊功耗問題一直是４～２０ｍＡ 輸出電路設(shè)計的難點(diǎn)之一。解決這一問題的主要方法是信號線與電源線復(fù)用。這樣功耗問題得以保證，并且為儀表兩線制工作提供足夠的電流。但經(jīng)過實際測試，當(dāng)單片機(jī)處于高頻時鐘工作，并且所有外設(shè)全部工作，其電流消耗超過４ｍＡ。為了解決這樣的問題，通過ＤＣ／ＤＣ對復(fù)用線進(jìn)行分流，還解決了數(shù)字部分的供電問題
［１３－１４］。此外，流量計的硬件電路設(shè)計均采用低功耗的器件，這也是降低整體功耗的方法之一。
電流環(huán)輸出部分的核心是 ＴＩ公司的ＸＴＲ１１５電流環(huán)芯片，電路如圖３所示。引腳３被看作模擬地，輸入端電阻
Ｒｉｎ為１０ｋ
Ω，
Ｃ 為降噪電容，晶體管的選型主要考慮 ＮＰＮ型，沖擊電壓，電流以及功耗，鑒于會有溫度傳導(dǎo)效應(yīng)，***好不使用貼片的封裝，外接晶體三極管 Ｑ１ 只要選用Ｖｃｅｏ＞３６Ｖ
，Ｉｃｍａｘ＞３２ｍＡ
，Ｐｏｕｔｍａｘ＞１．２Ｗ
的 ＮＰＮ
三極管即可，可以考慮下面的一些型號：ＴＩＰ２９Ｃ，２ＳＣ１８４６。
該電路的工作原理是當(dāng)ＡＤ７３９１數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的６腳輸出電壓 信 號 經(jīng) 過 Ｒ２ 轉(zhuǎn) 換 成 ４０～２００
μＡ 的 輸 入 電 流
，ＸＴＲ１１５內(nèi)部有一個１００增益的運(yùn)放，將輸入電流放大為４～２０ｍＡ
的電流。 外部晶體管 Ｑ１主要作為一個電流輸出源，如果使用２４Ｖ和２０ｍＡ 的電流輸出，此晶體管的功耗為０．４８Ｗ，ＸＴＲ１１５通過采用外部的晶體管來避免產(chǎn)生溫飄，所以在安裝晶體管的時候應(yīng)該避免和模擬部分的電路離的太近，包括ＸＴＲ１１５。在實際電路中，還需給功率管裝上合適的散熱器。
| | | | | | | | | | | | 圖 | ３ | 電流環(huán)輸出電路 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| | ＸＴＲ１１５ | 允許各種電壓保護(hù)方法，圖 | ３ | 顯示了一個二 | 證明，即使電源電壓高達(dá) | | ，也損壞不了 | | | | | | 。 | |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | ５０Ｖ | | | | | | | | ＸＴＲ１１５ | | |
| 極管電橋電路，四個 | １Ｎ４１４８ | 型開關(guān)二極管構(gòu)成這樣的保 | | 鑒于整個系統(tǒng)自身的電流消耗不能超過 | | | | | ，所以 |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | ４ｍＡ | | |
| 護(hù)電路，電路可以正常運(yùn)行，甚至當(dāng)電壓連接線是接反的， 通過 | | ／ | | 對復(fù)用線進(jìn)行分流， ／ | | | 的 | 輸入電壓為 |
| | | | | | | | | | | | | | | | ＤＣＤＣ | | | | | | | | ＤＣＤＣ | | | | | | | | |
| 它也能防止負(fù)電壓流入 | Ｖ＋ | 端。因為橋式電路中無論何 | | ，輸出電壓為 | ，所以，當(dāng) | | | ／ | | | 效率為 | ８０％ | 以上 |
| | | | | | | | | | | | | | | ２４Ｖ | | | | | | ５Ｖ | | | ＤＣＤＣ | | | | | | | | |
| 時都會導(dǎo)通兩只二極管，于是，在計算環(huán)路電壓時，去掉兩 | 時，從電流環(huán)上取 | １ｍＡ | 電流，由公式（）計算出提供給數(shù) |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | ６ | | | | | | | | | | |
| 只硅二極管的正向壓降 | （約為 | ）是理所應(yīng)當(dāng)?shù)模墒?/td> | 字電路的電流為 | | | | | ，這樣不僅解決了電流環(huán)上的電 |
| | | | | | | | | | １．４Ｖ | | | | | | | | | | ３．８４ｍＡ | | | | | | | | | | | | | | | |
| （）確定。 | | | | | | | | | | | | | 流大于 | ４ｍＡ | 的問題，而且解決了電路中芯片的供電問題。 |
| ５ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| | ＶＬＯＯＰ ＝２４－Ｉ０ＲＬ －１．４ | | | | | （） | | | · · | | | | · | | | | | | | | | | | | | | | | （） |
| | | | | | | ５ | Ｖｉ Ｉｉ | η＝Ｖ０ Ｉ０ | | | | | | | | | | | | | | | ６ |
| | 為了 防 止 瞬 態(tài) 電 壓 過 高， | | 公 司 生 產(chǎn) 的 | | 由于流量儀表采用二線制 | ２４Ｖ | 環(huán) | 路供電，單片機(jī) |
| | | | | | | | | | Ｍｏｔｏｒｏｌａ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| Ｐ６ＫＥ３９Ａ | 型抑制器的各項參數(shù)都符合要求，其閾值電壓 | | 供電，信號調(diào)理電路中運(yùn)放 | ＬＭ２５８ | 需要 | ５Ｖ | 電源供 |
| | | | | | | | | | | | | | ３．３Ｖ | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| 為 | ，鉗位時間僅為 | | | ，其性能是齊納穩(wěn)壓管所不及 | 電。為了降低電路功耗，使用 | ＴＩ | 公司的電壓轉(zhuǎn)換芯片 |
| | ３９Ｖ | | | | １ｎｓ | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
| 的。只要環(huán)路電壓高于 | ３９Ｖ | 就會被鉗位。 | 通過測試數(shù)據(jù) | | | ，將 | ２４Ｖ | | 轉(zhuǎn)換為 | ，用芯片 | ＴＰＳ７９７３３ | 將 | ５Ｖ | 轉(zhuǎn) |
| | | | | | | | | | | | | | ＬＭ３１０３ | | | | | ５Ｖ | | | | | | | |
| 換為 | | ，***后用芯片 | ＲＥＦ３０２０ | 將 | ３．３Ｖ | 轉(zhuǎn)換為 | ２．０４８ | | | | | | （ | | | | ）／（ | ＋Ｒ１０ | ） | | （） |
| | ３．３Ｖ | | | | | | | | | | | | | Ｖｏｕｔ ＝０．６× | Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０ | | Ｒ９ | | | | ７ |
| ，作為 | ／ | 轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓。 | | | 芯片輸出電 | | Ｖｏｕｔ | 為 | | ， | 、 | 分別選為 | １０ｋΩ | 和 | | | ，根據(jù)式 |
| Ｖ | | ＤＡ | | | | | | | | ＬＭ３１０３ | | | | | | | ５ＶＲ８ Ｒ９ | | | | | １．３ｋΩ | |
| 壓由外部電阻 | Ｒ８ | 、 | 和 | Ｒ１２ | 決定。調(diào)整輸出電壓公式為： | （）計算出 | Ｒ１０ | 約為 | | 。 | 轉(zhuǎn) | ５Ｖ | 電路如圖 | ４ | 所示。 |
| | | | | | Ｒ９ | | | | | | | | | ７ | | | | | ６９Ω ２４Ｖ | | | | | | | | | | |
| 換為 | | ，***后用芯片 | ＲＥＦ３０２０ | 將 | ３．３Ｖ | 轉(zhuǎn)換為 | ２．０４８ | | | | | | （ | | | | ）／（ | ＋Ｒ１０ | ） | | （） |
| | ３．３Ｖ | | | | | | | | | | | | | Ｖｏｕｔ ＝０．６× | Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０ | | Ｒ９ | | | | ７ |
| ，作為 | ／ | 轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓。 | | | 芯片輸出電 | | Ｖｏｕｔ | 為 | | ， | 、 | 分別選為 | １０ｋΩ | 和 | | | ，根據(jù)式 |
| Ｖ | | ＤＡ | | | | | | | | ＬＭ３１０３ | | | | | | | ５ＶＲ８ Ｒ９ | | | | | １．３ｋΩ | |
| 壓由外部電阻 | Ｒ８ | 、 | 和 | Ｒ１２ | 決定。調(diào)整輸出電壓公式為： | （）計算出 | Ｒ１０ | 約為 | | 。 | 轉(zhuǎn) | ５Ｖ | 電路如圖 | ４ | 所示。 |
| | | | | | Ｒ９ | | | | | | | | | ７ | | | | | ６９Ω ２４Ｖ | | | | | | | | | | |
實際使用線性插值時，線性化的誤差與檢測點(diǎn)的數(shù)量和位置相關(guān)。通過增加測量點(diǎn)數(shù)和選擇***佳位置來得到***好的的效果。
由表２可看出，平均系數(shù)法的***大非線性誤差為１．１１％，而插值修正法的***大誤差０．０６５％，偏差縮小了約１７倍。顯而易見，在同一測量精準(zhǔn)度水平下，采用插值修正法將會明顯擴(kuò)大渦輪傳感器的量程范圍。
本文針對渦輪流量計實際應(yīng)用中存在的問題，基于線性插值方法能有效提高渦輪傳感器的測量精度和擴(kuò)展測量的量程比。電路中芯片均采用低功耗器件，***大程度地降低了系統(tǒng)功耗；同時儀表配有 ＲＳ４８５通信、ＬＣＤ和按鍵輸入，遠(yuǎn)程計算機(jī)隨時可以查看儀表任意時刻的瞬時流量和累積流量等重要的參數(shù)，便于操作員能夠即時了解和統(tǒng)計流量計的信息。
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