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低功耗两线制涡轮流量计

技术资料
摘  要：涡轮流量计被广泛应用于过程测量和控制仪表。但是，涡轮流量计容易受被测流体粘度的干扰，导致现场测量精度不高、量程比受限。针对涡轮流量传感器的非线性特性，本文研制了基于 ＭＳＰ４３０的涡轮流量计实时数字信号处理系统，将传感器测量到的数据经过线性插值法处理，然后存储在带电可擦可编程只读存储器中，实现了对涡轮传感器的非线性校正，从而涡轮流量计的测量范围明显地得到扩大。同时该仪表还具有４～２０ｍＡ 电流输出、频率输出以及ＲＳ４８５通信功能，便于和工业仪表兼容。

1、引言：
    涡轮流量计结构简单、精度高、范围宽、重复性好、压力损失小以及安装维修方便等特点，被广泛应用于气体和液体流量的测量。但在工业现场，由于受到管道振动和流场扰动引起的噪声干扰，使得传感器输出信号中含有不同噪声，涡轮流量信号中极易混入噪声，测量精度大大降低。因此，提高仪表精度的关键是从含有大量噪声的涡轮流量信号中提取出有效信号。
    针对这一问题，国内外科研工作者针对涡轮流量计开展了大量的研究，并取得了很多成果。大致可以分为数宇处理和模拟处理两类。放大、滤波、整形和计数等抑制噪声能力不强的传统模拟方法，导致小流量不能检测到或测量精度很低，量程比受限。数宇信号处理方法中国外多用专业芯片实现，很难剖析内部细节，国内主要有基于FFT的经典谱分析、基于Burg算法的现代谱分析、小波分析、功率谱分析和自适应陷波等，这些方法各有优缺点，但在小流量的检测方而仍未能得到很好的解决。
    本文在分析涡轮信号及其噪声特点的基础上，提出一种基于定点系数修正法的涡轮流量计，对传感器得到的数据进行处理，并用实验验证仪表测量的准确性和可重复性。
 
2、涡轮流量计的工作原理：
  采用涡轮进行测量的流量计。当被测流体流过传感器，在流体作用下，液体流向与叶轮的叶片存在一定的偏传所，叶轮受力旋转，其转速正比于管道液体的平均流速，时角感器将液体流速转换成与瞬时流量成正比的频率信号。以，可以通过测量涡轮的转速来测流量。叶轮周期性改变感应线圈磁回路的磁阻值，检测线圈中的磁通随之发生周期性的变化而产生与流量成正比的周期性感应电势，即电脉冲信号，经信号放大器放大后，送至显示仪表显示。
    将流量和虱度确定在某一范围内，涡轮表头输出的脉冲频率、f正比于管道中流体流过的体积流量叮。即:
    q=f/K式中:K,.f分别为仪表系数和流量计输出信号的频率玛为体积流量。只要确定了涡轮流量训一的量程范围，仪表系数K在一定范围内为一常数，其数值由流量校验装置校验得出。仪表系数K值都会在每一台涡轮仪表说明书中标明。
 
由表达式（１）可以看出，仪表系数Ｋ 代表了单位体积流体中脉冲数量，用传感器测到的信号脉冲频率ｆ，除以仪表系数Ｋ，就可以得到体积流量Ｑ。即：

Ｑ＝ ｆ（／ 或 ３／） （）
Ｌｓ   ｍ ｓ ２
  Ｋ      

 
３、硬件系统低功耗设计：
 图１ 涡轮流量计硬件电路框图
  系统的硬件框图如图１所示。主要由涡轮传感器、放大滤波电路、电压跟随器、单片机、人机接口电路、４～２０ｍＡ输出、电源管理电路、频率输出和ＲＳ４８５通信组成。
  对流量信号的测量充分使用了 ＭＳＰ４３０单片机内部的资源，即 Ａ／Ｄ转换器、比较器、定时／计数器等，节省了所需单片机的口线和外围器件。ＡＤ７３９１芯片将数字信号转换为电压信号，再经过由 ＸＴＲ１１５组成的Ｖ／Ｉ转换电路输出４～２０ｍＡ 电流信号。电源转换模块将２４Ｖ 转换为５Ｖ、３．３Ｖ 和２．０４８Ｖ，满足运算放大器、单片机以及其他芯片的供电需求。 单片机和 Ｖ／Ｉ转换电路构成４～２０ｍＡ 变送器，变送器的耗电电流随传感器输出而变化，电流表只需要正确串联在电路中即可测量出电流值，其数值通过计算可以得到当时的瞬时流量值。
 
 
３．１ 单片机芯片的选型
   在众多方法中，器件选型无疑对低功耗设计的实现起到***关键的作用。系统采用了 ＴＩ公司推出的１６位超低功耗的 ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８作为主控芯片，主要在于 ＭＳＰ４３０系列芯片的功耗优势［１２］。
   由活跃模式下电流消耗相对于系统频率：
 

ＩＡＭ ＝Ｉ′ＡＭ ×ｆｓｙｓｔｅｍ   （）
  ３
由活跃模式下电流消耗相对于供电电压：  
（ ） （）
ＩＡＭ ＝Ｉ′ＡＭ ＋１７５× Ｖｃｃ－３ ４

图２ 各模式转换框图

 

图２ 各模式转换框图

  由图２可知，ＭＳＰ４３０在不同模式下的功耗相差很大，较低功耗０．１μＡ，在活动模式下的功耗取决于系统的工作频率与供电电压，特别是系统频率。当系统主时钟频率为１ＭＨｚ时，工作电压为３Ｖ，电流消耗为３７０μＡ，根据式（４）和（５）可计算出，当系统工作频率为４ＭＨｚ，工作电压３．３Ｖ，电流消耗相当于１．６９ｍＡ。因此，系统在运行时，根据涡轮信号的变换率，选择不同的工作模式，以降低系统的功耗。


  ３．２ ４～２０ｍＡ输出和电源供电模块功耗问题一直是４～２０ｍＡ 输出电路设计的难点之一。解决这一问题的主要方法是信号线与电源线复用。这样功耗问题得以保证，并且为仪表两线制工作提供足够的电流。但经过实际测试，当单片机处于高频时钟工作，并且所有外设全部工作，其电流消耗超过４ｍＡ。为了解决这样的问题，通过ＤＣ／ＤＣ对复用线进行分流，还解决了数字部分的供电问题［１３－１４］。此外，流量计的硬件电路设计均采用低功耗的器件，这也是降低整体功耗的方法之一。
   电流环输出部分的核心是 ＴＩ公司的ＸＴＲ１１５电流环芯片，电路如图３所示。引脚３被看作模拟地，输入端电阻Ｒｉｎ为１０ｋΩ，Ｃ 为降噪电容，晶体管的选型主要考虑 ＮＰＮ型，冲击电压，电流以及功耗，鉴于会有温度传导效应，***好不使用贴片的封装，外接晶体三极管 Ｑ１ 只要选用Ｖｃｅｏ＞３６Ｖ，Ｉｃｍａｘ＞３２ｍＡ，Ｐｏｕｔｍａｘ＞１．２Ｗ的 ＮＰＮ三极管即可，可以考虑下面的一些型号：ＴＩＰ２９Ｃ，２ＳＣ１８４６。
   该电路的工作原理是当ＡＤ７３９１数模转换芯片的６脚输出电压 信 号 经 过 Ｒ２ 转 换 成 ４０～２００μＡ 的 输 入 电 流，ＸＴＲ１１５内部有一个１００增益的运放，将输入电流放大为４～２０ｍＡ的电流。
  外部晶体管 Ｑ１主要作为一个电流输出源，如果使用２４Ｖ和２０ｍＡ 的电流输出，此晶体管的功耗为０．４８Ｗ，ＸＴＲ１１５通过采用外部的晶体管来避免产生温飘，所以在安装晶体管的时候应该避免和模拟部分的电路离的太近，包括ＸＴＲ１１５。在实际电路中，还需给功率管装上合适的散热器。
图 ３ 电流环输出电路

                      图 ３ 电流环输出电路                                            
                                                                             
  ＸＴＲ１１５ 允许各种电压保护方法，图 ３ 显示了一个二 证明，即使电源电压高达   ，也损坏不了           。  
                                          ５０Ｖ               ＸＴＲ１１５    
极管电桥电路，四个 １Ｎ４１４８ 型开关二极管构成这样的保   鉴于整个系统自身的电流消耗不能超过         ，所以
                                                          ４ｍＡ    
护电路，电路可以正常运行，甚至当电压连接线是接反的，  通过   ／   对复用线进行分流， ／     的 输入电压为
                              ＤＣＤＣ               ＤＣＤＣ                
它也能防止负电压流入 Ｖ＋ 端。因为桥式电路中无论何   ，输出电压为 ，所以，当     ／     效率为 ８０％ 以上
                            ２４Ｖ           ５Ｖ     ＤＣＤＣ                
时都会导通两只二极管，于是，在计算环路电压时，去掉两 时，从电流环上取 １ｍＡ 电流，由公式（）计算出提供给数
                                                      ６                    
只硅二极管的正向压降 （约为 ）是理所应当的，由式 字电路的电流为         ，这样不仅解决了电流环上的电
                  １．４Ｖ                   ３．８４ｍＡ                              
（）确定。                         流大于 ４ｍＡ 的问题，而且解决了电路中芯片的供电问题。
５                                                                        
  ＶＬＯＯＰ ＝２４－Ｉ０ＲＬ －１．４         （）     · ·       ·                               （）
            ５ Ｖｉ  Ｉｉ η＝Ｖ０  Ｉ０                             ６
  为了 防 止 瞬 态 电 压 过 高，   公 司 生 产 的   由于流量仪表采用二线制 ２４Ｖ 环 路供电，单片机
                  Ｍｏｔｏｒｏｌａ                                                  
Ｐ６ＫＥ３９Ａ 型抑制器的各项参数都符合要求，其阈值电压   供电，信号调理电路中运放 ＬＭ２５８ 需要 ５Ｖ 电源供
                          ３．３Ｖ                                  
为 ，钳位时间仅为     ，其性能是齐纳稳压管所不及 电。为了降低电路功耗，使用 ＴＩ 公司的电压转换芯片
  ３９Ｖ       １ｎｓ                                                            
的。只要环路电压高于 ３９Ｖ 就会被钳位。 通过测试数据     ，将 ２４Ｖ   转换为 ，用芯片 ＴＰＳ７９７３３ 将 ５Ｖ 转
                          ＬＭ３１０３         ５Ｖ              

换为   ，***后用芯片 ＲＥＦ３０２０ 将 ３．３Ｖ 转换为 ２．０４８           （       ）／（ ＋Ｒ１０ ）   （）
  ３．３Ｖ                         Ｖｏｕｔ ＝０．６× Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０   Ｒ９       ７
，作为 ／ 转换芯片的参考电压。     芯片输出电   Ｖｏｕｔ 为   ， 、 分别选为 １０ｋΩ 和     ，根据式
Ｖ   ＤＡ               ＬＭ３１０３             ５ＶＲ８ Ｒ９         １．３ｋΩ  
压由外部电阻 Ｒ８ 、 和 Ｒ１２ 决定。调整输出电压公式为： （）计算出 Ｒ１０ 约为   。 转 ５Ｖ 电路如图 ４ 所示。
          Ｒ９                 ７         ６９Ω ２４Ｖ                    
换为   ，***后用芯片 ＲＥＦ３０２０ 将 ３．３Ｖ 转换为 ２．０４８           （       ）／（ ＋Ｒ１０ ）   （）
  ３．３Ｖ                         Ｖｏｕｔ ＝０．６× Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０   Ｒ９       ７
，作为 ／ 转换芯片的参考电压。     芯片输出电   Ｖｏｕｔ 为   ， 、 分别选为 １０ｋΩ 和     ，根据式
Ｖ   ＤＡ               ＬＭ３１０３             ５ＶＲ８ Ｒ９         １．３ｋΩ  
压由外部电阻 Ｒ８ 、 和 Ｒ１２ 决定。调整输出电压公式为： （）计算出 Ｒ１０ 约为   。 转 ５Ｖ 电路如图 ４ 所示。
          Ｒ９                 ７         ６９Ω ２４Ｖ                    

图 ４ ２４Ｖ 转 ５Ｖ 电路

图 ４ ２４Ｖ 转 ５Ｖ 电路

３．３ ＲＳ４８５通信模块             据；按键中断用来设置仪表各种参数。系统软件框图如５
    抗干扰能力是考察仪表的一项关键指标。为了减   所示。                        
少通信信号受外界干扰，通信模块电路采用东芝公司的                                  
Ｐ１８１ 光 耦 隔 离 器 和 ７５ＬＢＣ１８４ 差 分 收 发 器 芯 片。                                  
７５ＬＢＣ１８４差分收发器带有内置瞬变噪声保护装置，这                                  
种设计特点明显改善了减少数据异步传输电缆上的瞬                                  
变噪声的可靠性，这种可靠性是市场上现有器件所不及                                  
的。远程计算机可以通过 ＲＳ４８５通信模块及时了解涡                                  
轮流量计的流量参数。                          图 ５ 软件框图                  
４ 系统软件设计                         图 ５   软件框图        
                                           
                                                     
    系统软件包含的主要功能模块有：）初始化模块：系                                  
              １               脉冲计数                      
统上电后，首先就要对单片机的状态控制寄存器及各功能 ４．１                      
设置定时器 （ ）来捕获涡轮信号脉冲个数，设置
模块的工作模式进行设置，   使用之前也需要对其进行        
              ＡＴＡ                
          ＬＣＤ           定时器 （ ）来计算瞬时流量、累计流量和频率输出。捕
复位和初始化显示。 ）计算处理模块：计算出传感器信号  
          ＢＴＢ                      
          ２             获／比较 寄 存 器         被 设 置 为     ，辅 助 时 钟
的频率，然后，根据所设定的仪表系数，计算出瞬时流量和   ＴＡＣＣＲＯ    
                      ３２７６７
和累计流量，再根据计算出来的瞬时流量，向外发送相应   ＡＣＬＫ 频率选用       ，定时器 Ａ 工作在增计数模式。
    ３２７６８Ｈｚ          
的脉冲量和标准的   的电流。 ）输出模块：系统   ＴＢ 设置捕获／比较寄存器 ＴＢＣＣＲＯ 为     ，选用系统时
４～２０ｍＡ                   ６５５３５
            ３         钟     分频后的频率为       ，定时器       工作在连续模式。
输出模块即远程信号发送操作模块，分别是４～２０ｍＡ 电   ４ ２     Ｂ
          ＭＨｚ      
流输出操作和脉冲输出操作。 ）人机接口模块：模块由键   ＴＡ 的上升沿来触发捕获脉冲信号，     根据相邻两次触发
                  ＴＢ    
            ４         信号的间隔时间来捕获涡轮信号脉冲个数，再依据 ＴＢ的
盘和 ＬＣＤ 组成，用于显示和修改仪表测量结果。 ）中断模  
              ５       工作时钟频率计算出涡轮信号的频率，流程图如图 ６
块：     中断负责频率的测量； 中断负责脉冲  
  ＴｉｍｅｒＡ       ＴｉｍｅｒＢ                                        

计数、流量计算显示和ＲＳ４８５通信；掉电中断用来保存数
低功耗两线制涡轮流量计

图 ６   脉冲捕获流程图

当 ｐｕｌｓｅＩＮ２≤ｐｕｌｓｅＩＮ１ 时，频率计算公式为：
     
                   
        ３２７６８－ｐｕｌｓｅＩＮ１＋ｐｕｌｓｅＩＮ２      
ｆｒｅｑ＝       （）
                      ＿               ８
                                             
                      Ｅｓｔｔｉｍｅ              
                                     
当ｐｕｌｓｅＩＮ２＞ｐｕｌｓｅＩＮ１时，频率计算公式为：
ｆｒｅｑ＝ ｐｕｌｓｅＩＮ２－ｐｕｌｓｅＩＮ１         （）
                ＿                   ９
式 中：           Ｅｓｔｔｉｍｅ                
          、             为 计 数 脉 冲 浮 点 型 变 量，
  ｕｌｓｅＩＮ１ ｕｌｓｅＩＮ２                  
ｐ         ｐ                     为捕获的涡轮脉冲数。
＿     为计算瞬时流量时间，      
Ｅｓｔｔｉｍｅ                         ｒｅ          
                              ｆ ｑ          
                                             
４．２ 非线性补偿设计                          
采用计算和查表相结合的插值法来处理涡轮传感器
 
                                             
的非线性问题。插值法就是在传感器输出频率 Ｆ 与仪表系
                                             
数Ｋ 的特性曲线中，把输出频率Ｆ 分成Ｎ 个均匀的区间，
 
这样每个区间的端点       都对应一个输出   ，测定完这些数
  Ｆｉ  
                                Ｋｉ      
据点（   ， ），其中，       ，，… 。按偏差平方和***小原则
             
Ｆｉ Ｋｉ       ｉ＝１２ ｎ              
求出近似曲线 ｋ   （），并且采取二项方程为拟合曲线方
              ＝φ ｆ                      
法，然后把近似曲线方程表达式预先存入到微控制器中，
                                             
显然当曲线上任一点 Ｆｘ 检索到在（ ， ）之 间或端点
                                Ｆｉ Ｆｉ＋１      
处，就可以根据函数表达式计算出与之对应的仪表系数
，   的计算表达式为：                  
Ｋｘ Ｋｘ                                            

Ｋｘ ＝ Ｋｉ ＋ｋ（Ｆｘ －Ｆｉ）＝ Ｋｉ ＋Ｋｉ＋１ －Ｋｉ（Ｆｘ －Ｆｉ）
低功耗两线制涡轮流量计 
Ｆｉ＋１ －Ｆｉ
（１０）
 
式中：ｉ＝１，２，３，…，ｎ；Ｆｘ 为当前频率值，其值介于Ｆｉ 和
 
Ｆｉ＋１ 之间。
实际使用线性插值时，线性化的误差与检测点的数量和位置相关。通过增加测量点数和选择***佳位置来得到***好的的效果。

５   实验及结果分析                              
                                                               
５．１ 模拟电流输出实验                            
                                                             
      本系统对仪表设定仪表系数，量程流量，将信号发生
器输出信号的幅值调节到表１中的响应值，合上开关将信
号频率依次调节到量程频率的 １００％ 、 、 、 ，记
                                            ７５％２５％０％    
录下各测试点的数字电流表的示值，由式（ ）计算出电流
                                                    １１          
相对误差。                                                    
          Ｉ示ｉ －Ｉ理ｉ   ×１００％                       （ ）
                                         
      ｉ＝ Ｉ理ｉ                               １１
                                                         
式中： ｉ 为第     试验点的电流输出误差； 理 为第     试验点
              ｉ                               Ｉｉ ｉ      
的输出电流理论值； 示 为第 试验点的输出电流实际值。
                              Ｉｉ ｉ                          
                        表 １ 输出电流相对误差              
                                                             
                                                     
                                          电流测量值／          
  信号幅值   Ｋ 系数                       ｍＡ          
              量程频率 量程频率 量程频率量程频率
                                 
                                     
    ／       ／ ·     －１                              
      ｍＶ       Ｐ Ｌ     １００％     ７５％ ２５％     ０％  
                                                     
      １０       ４０００     ２０．０００ １５．９９２ ７．９９３     ３．９９６
                                                                 
      ２０         ５００     １９．９９８ １５．９９２ ７．９９５   ３．９９６
      ３０           ８０       １９．９９８ １５．９９０ ７．９９５   ３．９９５
        电流／                     ２０     １６   ８     ４    
                                                   
              ｍＡ                                  
      ***大误差                                                  
                （ ）     －０．０１ －０．０６２ －０．０８７－０．１２５
                  ％              
                                                                 
                                                                 
      从表１可看出，本系统所设计的仪表输出电流相对误
       
差不超过０．２％，符合工业设计要求。                  
                   
      仪表系数修正实验                            
５．２                                                            
  在检定装置上 对口径为         涡轮流量传感器分别
                 
                        ，       ２０ｍｍ                    
                                                           
使用平均系数法和线性插值法进行标定，并与标准值进行
比较，结果见表       。量程范围为（   ３／   ３／）涡轮
                  ２                 ０．７ｍ ｈ～７．０ｍ   ｈ    
流量传感器的平均仪表系数由（ ）式计算得到。          
                                      １２                    
          表 ２     平均系数法和线性插值法的比较          
                                                               
               
    测试  标准仪表系数   线性插值法   平均系数法    
                                                           
      点     ／ · －１   仪表系数 偏差   仪表系数偏差    
                          ％   ％  
              Ｐ ｍ                                        
    ０．７     ５１８．７１     ５１８．８９   ０．０３４ ５１３．０９   １．０８
                           
    １．５     ５１４．０２     ５１４．２８   ０．０５１ ５１３．０９０．１８１
                       
    ３．０     ５１０．９４     ５１０．９９   ０．０１０ ５１３．０９０．４２１
                       
    ４．０     ５０９．６３     ５０９．３５   ０．０５５ ５１３．０９０．６７９
                       
    ５．５     ５０８．８３     ５０８．５０   ０．０６５ ５１３．０９   ０．８４
      ７       ５０７．４７     ５０７．７２   ０．０４９ ５１３．０９   １．１１  
    （ ） （ ） （ ）
   
Ｋ＝ Ｋｉ ｍａｘ ＋ Ｋｉ ｍｉｎ
  ２   １２
         

 
由表２可看出，平均系数法的***大非线性误差为１．１１％，而插值修正法的***大误差０．０６５％，偏差缩小了约１７倍。显而易见，在同一测量精准度水平下，采用插值修正法将会明显扩大涡轮传感器的量程范围。

６、结 论：
   本文针对涡轮流量计实际应用中存在的问题，基于线性插值方法能有效提高涡轮传感器的测量精度和扩展测量的量程比。电路中芯片均采用低功耗器件，***大程度地降低了系统功耗；同时仪表配有 ＲＳ４８５通信、ＬＣＤ和按键输入，远程计算机随时可以查看仪表任意时刻的瞬时流量和累积流量等重要的参数，便于操作员能够即时了解和统计流量计的信息。

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