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智能渦街流量計和V錐流量計二次儀表

來源:ABG儀表集團   2013年06月20日 16:51  

摘 要 將*的信號處理方法和數字信號處理器( DSP) 應用于流量計的信號處理, 計算流量信號的頻率和相位差等, 克服目前此類流量計信號處理方法的局限, 提高測量精度和抗*力, 擴大量程比, 實現小流量測量。研制基于智能渦街流量計和V錐流量計二次儀表。
被人們稱為“數字孔板”的智能渦街流量計, 具有測量精度較高、無活動件、可靠性好、輸出信號頻率與狀態體積流量成正比等優點。近年來發展速度居流量儀表第二位, 在各行各業獲得愈來愈廣泛的應用。但是, 智能渦街流量計在應用中還存在兩個關鍵問題沒有解決。一是由于智能渦街流量計工作原理的關系, 它易受外界振動干擾, 而工業現場的振動是普遍存在的。①管道機械振動干擾: 水泵、閥門的開啟, 大電機的運行等; ②流場干擾: 流場不穩定, 在現場直管段長度達不到要求。由于現場振動噪聲的干擾, 使得現場測量誤差遠遠大于實驗室標定誤差, 有時實際測量誤差可達50% 之大。二是量程下限受限, 不能測量小流量。而現場的管道是一定的, 并且, 工藝上對流體的壓力有要求, 不能縮小管道的口徑, 所以,測量小流量是不可避免的。量程下限受限是由于當流量小時, 智能渦街傳感器的輸出信號比較微弱, 易被噪聲淹沒。所以, 上述兩個問題是有內在的。這兩個問題影響了智能渦街流量計特點的發揮, 阻礙它的發展。

V錐流量計是一種新型流量計, 其特點是: 直接實現質量流量的測量, 這是許多工業應用迫切期待的; 管內無障礙物, 便于清洗; 可以同時獲取密度測量值。它是當前發展為迅速的流量計之一, 具有廣闊的應用前景。V錐流量計也是基于流體振動原理進行工作的。它要求其信號處理電路地測量來自兩個流量傳感器信號的相位差。目前, 其基于模擬電路的信號處理方式( 放大、濾波、整形和計數) , 存在如下局限:①對噪聲特別敏感。而工業現場, 噪聲各種各樣, 干擾是無法避免的。V錐流量計輸出信號的頻率落入許多工業噪聲的頻率范圍, 而且傳感器輸出信號的幅值比較小, 在許多情況下, 并不明顯大于噪聲信號的幅值, 這就限制了V錐流量計的靈敏度, 使得有用信息的獲取十分困難, 導致實際的測量精度達不到指標規定的精度。②模擬濾波器會改變信號的幅值和相位, 這是不希望產生的結果。因為兩個信號之間的時間延遲是用來求出處理流體特性的基本信息。③管子的振動頻率受流體密度等因素的影響, 使其不等于驅動頻率, 以致于傳感器輸出信號的頻率發生變化以及頻率成分復雜, 二次儀表所測出的是合成波的相差。④測量流體時, 兩個信號的相位差一般小于4°; 當測量氣體時, 由于氣體產生的科里奧利力小, 故相差更小, 處理更為困難。
為此, 本文將*的信號處理方法和數字信號處理器(SP) 應用于V錐流量計的信號處理, 計算流量信號的頻率和相位差等, 克服目前上述流量計信號處理方法的局限, 提高測量精度和抗*力, 擴大量程比, 實現多參數測量和小流量測量。
智能渦街流量計信號處理方法和系統研制的基于DSP 具有譜分析功能的智能渦街流量計信號處理系統由ADSP2181(AD公司的DSP芯片)處理器、前向輸入通道、模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護電路、串行通信接口、液晶顯示( LCD) 、模擬量輸出以及軟件組成。前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、抗混疊濾波器、模/ 數轉換器組成。
鍵盤輸入完成對系統參數設定、顯示內容選擇的功能。串行通信RS232 接口使系統可以和微機或單片機進行通信。該系統的硬件框圖如圖1所示。

流量計中的傳感器( 例如, 壓電傳感器) 將所感受到流量信號轉換成電信號, 經過電荷放大器、程控放大器和抗混疊濾波器, 送到模/ 數轉換器; 模/ 數轉換器與ADSP2181 之間的通信方式為中斷方式。采樣數據在中斷服務程序中送入ADSP2181 數據存貯器的環形數據緩沖區。ADSP2181 定時用周期圖譜分析方法對采樣數據進行譜分析; 在進行多次功率譜分析的基礎上, 進行平均, 確定出大功率譜值,得到它所對應的頻率, 即為信號的頻率。ADSP2181定時計算信號頻率, 再根據儀表參數和通過溫度、壓力等補償, 可以得到瞬時流量值等, 送入數據緩沖區, 供LCD 顯示、模擬量輸出等。也可通過積算,給出累積流量。該系統的軟件框圖如圖2 所示。

采取一系列措施解決處理精度和實時性的問題: 通過選取合適的頻率分辨率來控制非整周期采樣所造成的計算誤差。采用頻譜校正方法提高計算精度。通過分段設置采樣頻率, 以

及通過計算信號的幅值來調整程控放大器的增益, 使處理信號的范圍擴大到2~2500Hz。定時計算, 邊計算邊采樣, 利用環形數據緩沖區, 將采樣的數據刷新隊列里老的數據

, 每次計算都用采樣的數據。在2秒中作20 次譜分析, 去掉大兩個數據、小兩個數據, 取其平均值后, 送LCD 顯示。做到處理實時,顯示及時, 結果穩定。已申報了國家發

明。用HP公司的信號發生器測試, 基于DSP具有譜分析功能的智能渦街流量計數字信號處理系統的大相對誤差不大于0. 014% , 測量范圍為2Hz ~2500Hz, 抗*力強。分別在安徽省流量儀表檢定站和ABG儀表集團的標定裝置上, 與合肥儀表總廠和ABG儀表集團的傳感器相配合, 進行了性能測試和現場試驗,線性度為0. 11596%, 重復性為0. 0264575% , 量程比達到1: 15。并與合肥儀表總廠和ABG儀表集團的放大器及二次儀表進行比較, 結果表明, 我們系統測量下限低(即測量小流量能力強) 、流程比寬、測量精度高和抗*力強。
V錐流量計信號處理方法和系統
研制的基于DSP 的V錐流量計信號處理系統由ADSP2181、信號采集通道、邏輯控制電路、LCD 電路、鍵盤輸入電路、串行通信電路、4~20mA 輸出電路和激振電路以及軟件組成, 其系統硬件如圖3 所示。其中, 信號采集通道由放大及低通濾波器、溫度檢測電路、多路轉換器和采樣/ 保持及模/ 數轉換電路組成。鍵盤輸入完成對系統參數設定、顯示內容選擇的功能。串行通信接口使系統可以和其它微機或單片機進行通信。激振電路由電壓跟隨、放大濾波電路、整流電路、增益控制電路、乘法電路、振動過強保護電路、電壓放大電路和功率放大電路組成, 能自動跟蹤流量管固有振動頻率的變化,以此頻率驅動流量管振動, 并保持振幅穩定。

系統軟件包括監控程序、中斷服務模塊、外部中斷服務模塊、定時中斷服務模塊、初始化模塊、相位差測量模塊、頻率跟蹤模塊、鍵盤監控模塊、顯示模塊、通信模塊、溫度補償模塊和延時子程序, 如圖4所示。

以ADSP2181 為處理核心, 采用DFT 方法, 處理流量計信號, 計算出流量管振動基頻的頻率、相位差和幅值, 從而得到準確的質量流量。流量計中的傳感器( 例如, 兩個磁電式傳感器) 將所感受到流量信號轉換成電信號; 磁電傳感器的輸出電信號經過放大和濾波器、多路轉換器, 送到模/ 數轉換器; ADSP2181與模/ 數轉換器之間用中斷方式通信。ADSP2181在中斷服務程序中讀入采樣數據, 送入數據緩沖區。ADSP2181 定時對采樣數據進行處理, 分為測量初始化階段、相位差測量階段和頻率跟蹤階段。
在初始化階段, 只采集1 個傳感器的信號進行粗測和細測, 得到信號頻率的準確值, 以便實現整周期采樣, 保證信號處理的精度。在初始化階段完成后, 就進入相位差測量階段。以信號頻率的整數倍的頻率, 交叉采集2 個傳感器的信號, 計算其相位差和幅值; 再根據儀表參數和通過溫度等補償, 可以得到瞬時質量流量值等流量數值。流量管的振動頻率會隨著被測流體密度的不同而發生變化, 為了確保采樣頻率是信號頻率的整數倍, 必須定時進行頻率跟蹤。提出一種容易實現的、精度較高的頻率跟蹤方法, 在一定的頻率范圍內,變化采樣頻率, 計算功率譜, 通過比較功率譜值的大小, 確定流量管的振動基頻, 調整采樣頻率, 實現整周期采樣, 保證數字信號處理的精度。同時, 頻率變化量也反映出流體的密度。將瞬時質量流量和密度送入數據緩沖區, 供LCD顯示、模擬量輸出等。也可通過積算, 給出累積質量流量。傳感器的信號送入激振電路, 產生驅動信號,送到電磁激振器的線圈, 使流量管振動。

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