基于DSP的数字式科氏质量流量变送器

liyf

摘要：介绍了基于DSP的数字式科氏质量流量变送器，给出了变送器的硬件和软件模块组成。实验数据表明，这种数字式科氏变送器有效解决了小流量测量精度低、量程比窄的问题，并大大改善了变送器的驱动性能。



关键词：科里奥利质量流量计;DSP;数字驱动



引言



科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)可以直接测量流体的质量流量，同时还可测体积流量、密度、温度，测量精度高，可测量流体范围广，具有广阔的应用前景。



目前，国内科氏流量计大都采用基于模拟电路的信号处理方式，驱动电路亦是采用纯模拟电路实现。传统模拟信号处理方法易受噪声干扰，小流量测量精度低，限制了量程比;对于复杂流体(如两相流、批料流)场合，模拟驱动无法维持流量管振动，导致无法测量。如何提高变送器的抗干扰能力、提高小流量的测量精度，以及如何改善变送器的驱动性能，在两相流下维持流量管振动，是目前国内科氏流量计发展所需迫切解决的难题。



为此，我们研制了基于DSP的数字式科氏质量流量变送器，将数字信号处理方法和数字驱动方法相结合应用于科氏流量计，提高科氏变送器的流量测量精度，改善了变送器的驱动性能[1]。


　　系统硬件方案
　　系统硬件由信号调理电路、驱动电路、ADC、DSP及外扩存储器、温度补偿电路、LCD显示、键盘、SCI、4～20mA电流输出、脉冲输出等模块组成[3] ，如图1所示。
　　信号调理与采集
　　科氏变送器通过测量两路信号的时间差来计算流量，并且两路信号时间差非常小，因此，设计出两路结构对称、性能稳定、温漂小的高精度信号调理采集电路，是保证测量精度的前提条件。
　　驱动模块
　　科氏流量计的测量是建立在振动基础上的，对振动的控制在科氏流量计中处于重要地位，是产生精确测量数据的基础。传统模拟驱动方法简单、容易实现，硬件电路不需要DSP进行控制，但启动时间长、不能适用于两相流/批量流的实际应用场合等。数字驱动方法中，DSP实时跟踪传感器信号变化，并采用先进的算法对驱动信号进行灵活控制，大大改善驱动系统的动态性能。
　　DSP芯片
　　采用TI C2000系列高端浮点DSP TMS320F28335，主频150MHz，带浮点核，片上外设资源丰富，集成了eCAN、SCI、SPI、McBSP、ePWM、I2C、ADC等。DSP负 责系统全局控制和运算，主要包括：(1)采集两路传感器信号，计算信号频率和相位差，进而计算质量流量;(2)检测流体温度，进行温度补偿;(3)控制驱 动电路，提供正确的驱动信号维持流量管振动;(4)将测量值在LCD上实时显示，并通过SCI向上位机上传，最后以4～20mA模拟量和脉冲的形式输出流 量值。
　　温度补偿电路
　　传感器流量管表面贴有温度电阻Pt100，以恒定的微小电流流过Pt100，将Pt100的电阻信号转换为电压信号，由ADC采样转换为数字量送入DSP。
　　存储器扩展
　　为满足大量数据存储及掉电时需保存各仪表参数的需求，系统外扩了一片128 kB SARAM和512 B 的铁电M(FM)存储器。



脉冲输出4～20mA输出
　　工业标定时，要求变送器能够输出代表流量的脉冲信号，并且实际工业现场要对仪表进行远程测量，要求变送器有标准的模拟输出，一般是4～20mA电流信号。
　　系统软件方案
　　系统软件采用模块化设计，主要包括初始化、算法、中断、人机接口、测量结果输出、FRAM、看门狗等模块，这些模块由主监控程序统一调用，如图2所示。
　　主监控程序
　　主监控程序负责整个软件系统各模块子程序的调度。系统上电后，主监控程序调用各模块初始化子程序，初始化完毕后，开启AD转换，采集传感器信 号，确定滤波器参数;之后便进入不断调用算法、计算流量、控制驱动信号的循环中，其中还包含调用LCD显示、键盘处理子程序、SCI上传数据以及输出相应 电流和脉冲信号。
　　初始化模块
　　系统初始化负责对整个系统时钟、片内外设时钟的配置，以及对看门狗模块和中断向量表的初始化;外设初始化包含对片内、片外各设备模块的初始化， 片内设备主要包含McSBP、DMA、XINTF、CPU定时器、ePWM、GPIO、SCI等，片外器件主要包含ADC、LCD、FRAM、等;算法初 始化主要负责对全局变量、算法相关参数的初始化。
　　驱动模块
　　DSP内部采用正负阶跃交替激励启振法，结合非线性幅值控制算法[4]，实现对传感器幅值的灵活控制，可以使传感器快速启振。非线性幅值控制算法能在传感器信号很小时提供更大的增益控制信号，在两相流/批料流情况下维持流量管的振动。
　　中断模块
　　系统中断主要包括AD、DMA、cputimer0、掉电保护中断，其中AD、DMA中断用于对AD采样数据的读取，cputimer0中断用来实现对流量的累加，而掉电保护中断则是用于掉电时对相关参数的保存。
　　算法模块
　　算法模块主要包含带通滤波、格型自适应算法、计及负频率的DTFT算法。
　　数字带通滤波器用来滤除工业现场的多种噪声，如随机噪声、工频干扰、电机和管道振动等引起的某一固定频率干扰等。
　　采用格型自适应算法估计信号的频率。与直接型自适应陷波滤波器相比，格型计算量大大降低，且参数少，通过调整相应参数就能方便地跟踪频率的变化，且跟踪速度快，跟踪精度高[5]。
　　采用计及负频率影响的DTFT算法计算信号相位差，DTFT算法可以在每个采样点计算出傅立叶系数，且收敛速度快，满足科氏信号处理的实时性;同时，因为考虑了负频率的影响，所以提高了相位差的计算精度[2]。
　　测量结果输出
　　在计算出流体流量、密度等参量之后，一方面，DSP将测量结果显示于LCD上，并通过SCI接口上传至上位机;另一方面，将流量信号转换成脉冲和电流信号，输出相应的脉冲和电流。
　　看门狗
　　为防止系统程序跑飞，启用了DSP内部看门狗模块。该模块有一个8位计数器，为避免看门狗模块触发硬件复位，需要在软件内部适时添加“喂狗”指令，在其计数值达到最大之前，复位计数器。
　　系统性能指标
　　以CNG050为研究对象，进行了启振时间测试实验。模拟驱动启振时间约需22s，而数字驱动仅需4.2s即可完成启振，启振时间大大缩短[4]。
　　将研制的科氏质量流量变送器与太原太航流量工程有限公司研制的科氏质量流量传感器相配合，在太原太航流量公司进行了水流量标定实验，对于U型传感器，在1：15量程比范围内，质量流量测量精度优于 0.1% 。