流量检测装置说明书.doc

流量检测装置设计说明书
一、 装置需求：
1. 100点流量差压信号的采集。用键盘输入流量系数，输入时可显示；
2. 范围0-1000l/min,采集周期0.5s,信号4-20mA，分辨力0.1%；
3. 要求运用数字滤波（方法自选）；
4. 计算瞬时流量（l/min）、累计流量（m3/h）,并显示；
5. 操作人员可随时修改流量系数和切换显示内容（瞬时/累计流量）。

二、 设计说明书要求：
1. 系统构成框图及构成说明，包括主要部件的选型及依据；
2. DSP与A/D转换芯片连接的电原理图；
3. 程序框图，包括主要流程；
4. 采集、数字滤波、流量计算程序清单。

三、 差压式流量计基本理论
1.节流装置工作原理
差压式流量计是根据伯努力方程和流体连续性原理用差压法测量流量的，其节流装置工作原理如图1所示，在横截面H处：流体的平均流速是v1，密度是ρ1，横截面积是A1；在横截面L处：流体的平均流速是v2，密度是ρ2，横截面积是A2。

图1 差压流量计工作原理图

根据流体流动连续性原理有如下关系式：
v1·A1·ρ1=v2·A2·ρ2 （1）
如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变：
ρ1＝ρ2＝ρ （2）
根据瞬时流量的定义，即单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量，所以液体的体积瞬时流量：
（3）
根据伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式：
（4）
应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上压力差则有如下关系式：
（5）

将（3）代入（5）式，并整理，则得：
（6）
由于， ， 定义直径比， 其中d为工作状况下节流件的等效开孔直径，D为管道直径，则得到：
（7）
这样可推导出以下的理论流量公式：
（8）
又由于流量系数C的定义是：C= 实际流量/理论流量，可得出节流式差压流量计普遍适用的测量体积流量的实际流量公式：

（9）
其中，ε为被测介质的可膨胀性系数：对于液体=1； 对气体、蒸气等可压缩流体＜1 。
根据累计流量的定义，即在某一段时间内流过某横截面流体的总量，所以液体的体积累计流量为：
（10）
因此，我们只要检测出差压即可分别计算出瞬时流量和累计流量的大小。

2. 差压变送器工作原理
在采用差压方式进行流量测量时，其流量与差压呈非线性关系，即差压信号与流量之间存在一个开方关系。为了线性的表达流量，需要对测量系统总的流量信号进行一次开放运算，具体如下：
（11）
即：

应用实例：
求测量范围为0-4KPa，输出4-20mA的带开方差压变送器，输入2KPa差压值时的输出电流为多少？
输入2KPa时的输出电流=mA
四、 差压式流量计硬件设计
差压式流量计整体设计框图如图2所示， 首先安装在管道中的多个节流装置检测出流体差压，送入差压变送器转换为相应电流（4-20mA）；然后DSP控制多路模拟开关选择输出一路电流到放大器，使其转化为相应电压（0-5V）；最后信号由A/D采样后导入到DSP（同时选通第二路电流信号），对多路数据进行处理并显示。

图2 差压式流量计整体设计框图
1. 节流装置的选型
根据装置需求 100点流量差压信号的采集，范围0-1000l/min，本设计选用MPA（Multi-Point Averaging Flow meter）流量计(多点测量平均流速流量计)。每个MPA流量计有24点流量信号的采集，相比其他只能2点流量信号采集结构的流量计而言，精度高；同时流量范围1-15000（m3/h）远超过设计指标要求。
MPA流量计是一种用于测量管道中液体，气体或蒸汽等流体流量的新型的差压式流量计。流体的流量正比于流量计差压信号的平方根，用户只需配用差压计及流量显示积算仪就可以得到准确的流量测量。
（1）与一般的速度式流量计的区别 ：
例如：皮托管流量计－测量的是某个点的流速；均速管流量计－测量的是管道纵向或横向分布的平均流速。而MPA流量计是测量分布在管道截面上多个点（测量点是严格按切比雪夫积分法选取在管道横截面上）的流体流速并最终得到准确的管道平均流速测量，因此它具有良好的流量测量准确度；
（2）与一般节流式差压流量计的区别：
与节流式孔板流量计、v型内锥式流量计等相比。MPA流量计的管道压力损失很小，仅为普通孔板流量计的1/5--1/8，是一种节能式流量测量仪表；
由于测量是通过管道截面多点平均流速的测量来实现的，因此MPA流量计对前直管段要求相对较低，一般表前有5倍D的直管段就可以满足测量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以满足要求；
场取压差压测量技术措施可抑制测量噪声，提高信号测量的准确性，测量范围度一般可达到1：12或更大。
MPA流量计的结构如图3所示。

图3 MPA流量计的结构图
用MPA流量计测量流量的关键是如何确定特征点（即流速测量点的分布）。目前比较常用的有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。
等环面法将半径为R的圆管分成n个面积相等的同心圆环（最中间的为圆）。在每一个圆环的等面积处设置测量点，即特征点位置。半径方向上n个测量点的位置为r1、r2、r3……、rn，。
切比雪夫积分法是利用切比雪夫插值点ti求函数在区间﹣1到1的积分的一种近似算法。经过变换，可以求得管内半径方向的测点位置。
对数线性法选择特征点的原则是把各环面上的平均速度看作是该环面上各特征点所测得的速度的算术平均值。而整个截面上的平均速度就等于各环面平均速度的算术平均值。
MPA流量计是严格按照切比雪夫法选取分布在管道上的流速测量点的，其分布图如图4如下：

图4 流速测量点分布示意图
MPA流量计为低压差设计，因此测量气体时一般不必考虑气体膨胀系数的影响。只有在低压系统中使用（例如常压系统气体流量测量），差压值与系统压力比（△p/P）大于4％时需要考虑气体膨胀性对测量的影响。
因此，MPA流量计是一种新型的高性能的流量测量仪表。其参数指标如下：

2. 差压变送器的选型
根据装置需求输出电流4-20mA，另外考虑到测量范围、精度等级及工作温度等多种因素，本设计选择ZL1151电容式差压变送器。ZL1151输出电流4-20（mA）,测量范围0-40000（KPa），精度等级0.05%，工作温度-40-140摄氏度，优于装置需求。ZL1151电容式差压变送器结构图如图5所示。

图5 差压变送器结构图
产品特点：
●超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量；
●精度高：数字精度+（-）0.05%；模拟精度+（-）0.5%~+（-）0.1%F.S；
●量程、零点外部连续可调，量程比100：1；
●正迁移可达500%、负迁移可达600%；
●稳定性能好，稳定性：0.25% 60个月；
●耐过压；
●固体传感器设计；
●全系列统一结构、互换性强；
●接触介质的膜片材料可选；
●低压浇铸铝合金壳体；
●测量速率：0.2S；
●小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装；
●过程连接与其它产品兼容，实现最佳测量；
●采用16位计算机的智能变送器；
●标准4-20mA，带有基于HART协议的数字信号，远程操控；
●支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级；
ZL1151电容式差压变送器关键技术指标如下：

3. 多路模拟开关的选型
考虑到100点差压信号的采集需要100路模拟开关控制，因此本设计选用13片AD7501芯片，通过DSP发出控制信号选择某一路差压信号输入。其逻辑结构及引脚如图6所示，3个地址线A1、A2、A3，1个使能端EN，8路输入S1、S2-----S8，1路输出Out。

图6 AD7501逻辑结构及引脚图
AD7501性能指标如下：
●CMOS工艺制造；
●单8路1模拟多路转换器；
●16引脚DIP封装；
●电源：+/-15V；
●功耗：300uW；
●开关接通电阻：170欧；
●开关接通、断开时间：0.8us；

4. 放大电路
由于差压变送器的输出信号为电流值，且幅值较小达不到ADC需要的采样幅值，所以信号首先要经过放大器的放大处理，转化为0-5V的电压信号，如图7所示，发射信号经一对二极管IN4007的幅值保护后由同相放大器LF357与反相放大器LM318完成信号的放大处理。

图7 放大电路

5. A/D转换器的选型
根据装置需求分辨力0.1%，（分辨力是指仪表能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比），以及采集周期0.5s，所以本设计选用美国AD公司新近推出的一种性能优越、由BMIOS工艺制成的12位模数转换芯片ADl674。本芯片采用12位逐次比较方式工作，除了具有较高分辨力0. 05%外，采样频率高达100 kHz,即转换速率达10μs，片内还集成有高精度的基准电压源与时钟电路，从而使芯片在不需要任何外加电路和时钟信号的情况下完成A/D转换，使用非常方便。
AD1674 的基本特点和参数如下：
●带有内部采样保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；
●采样频率为100kHz；
●转换时间为10μs；
●具有±1/2LSB 的积分非线性（INL）以及12 位无漏码的差分非线性（DNL）；
●满量程校准误差为0.125%；
●内有+10V 基准电源，也可使用外部基准源；
●四种单极或双极电压输入范围分别为±5V，±10V，0V～10V 和0V～20V；
●数据可并行输出，采用8/12 位可选微处理器总线接口；
ADl674的内部结构及引脚排列如图8所示。各引脚的符号、类型及意义请参考有关资料手册。

图8 ADl674的内部结构及引脚排列

6. DSP芯片的选型
根据装置需求对100点差压数据采集，周期0.5秒，数据量较大，对速度有较高要求，同时对精度上要求10位以上，所以本设计选用TMS320C5402定点dsp处理器。TMS320VC5402是C54x系列的杰出代表,是一款性价比极高的定点DSP，具有速度快（指令周期为10ns ），精度高（32位），192K bytes的存储空间(64K bytes的程序存储空间、64K bytes的数据存储空间、64K bytes的I/O空间),功耗低，价格便宜的特点。C54x采用多总线技术,具有一条程序总线、3条数据总线和4条地址总线,可同时进行程序指令和数据的存取,具有高度的并行性。C54x采用模块化的设计,使派生器件得到了快速的发展,并且采用了最新的芯片制造工艺,提高了芯片的性能,降低了功耗。
TMS320C5402基本特点：
●运算速度快，指令周期为10ns；
●192K bytes的存储空间(64K bytes的程序存储空间、64K bytes的数据存储空间、64K bytes的I/O空间)；
●优化的CPU结构。1个40位的算术逻辑单元、2个40位的累加器、2个40位的加法器、1个17×17乘法器和40位的桶型移位器，有4条内部总线和2个地址产生器；
●低功耗，可在3.3V或2.7V电压下工作，三个低功耗方式；
●智能外设，除标准的串行口和时分复用串行口外，还含有自动缓存串行口（2k buffer)和外部处理器并行口HPI。
TMS320C5402的结构如图9所示。各引脚的符号、类型及意义请参考有关资料手册。

图9 TMS320C5402的结构图

7. DSP与A/D转换芯片的接口设计
ADl674有2种工作方式：独立工作方式和完全受控方式。独立工作方式不需使用全部控制信号,具有专用输入端口，启动转换要比完全受控方式精确；完全受控方式要使用全部控制信号，适用于多个需寻址电路挂在同一总线的情况，接口电路对各种控制信号的时序要求严格，因此设计要复杂些.考虑到本系统有多个寻址电路，故采用完全受控方式。完全受控方式下ADl674启动和读数时序如图10所示。

图10 ADl674启动和读数时序图
当要启动AD转换时，只需向ADC写一任意数据即可，此时CE变高，而CS变低，R /C=0，AD1674启动转换。转换结束后STS发出中断请求信号，在中断服务程序中读转换结果，此时，CE变高，同时R /C=1，而CS为低，DSP通过数据线从总线驱芯片74ACT16245读取AD1674转换数据。从完全受控方式的工作时序图可以看出，无论是进行AD转换还是进行读取数据，为了使AD1674能可靠地工作，CE信号需落后R /C信号约50ns。
完全受控工作方式下AD1674与TMS320C5402的接口电路图如图11所示。
图11 AD1674与TMS320C5402的接口电路图

五、 差压式流量计软件设计
设计思想：
（1） 首先向DSP发出输入流量系数的中断请求，然后通过矩阵键盘输入流量系数并由LED显示；
（2） DSP向多路模拟开关发出控制命令，使100点差压信号在1min内，以0.5s的数据采集周期以次顺序通过A/D采样、数字滤波、流量计算，（其中每min瞬时流量为每路差压信号即刻测定流量值，每h累计流量为60min的瞬时流量累加和），最后存储在分配好的数据空间待读出显示；
（3） 向DSP发出某一路瞬时流量/累计流量中断请求，DSP响应中断并从数据存储空间取出流量数据进行显示。
1. 软件设计流程图

总程序流程图

中断流程图

数据采集及处理流程图

矩阵键盘流程图

LED显示流程图

2. 程序设计
（1）数据采集
void main()
{
in it_5402();
while(1)
{
start_ad1674();
while( ((*(volatile u16*)IFR)＆0x0001) )
{};
　　}
}
void in it_5402(void)//初始化VC5402时钟和CPU
{
*(volatile u16*)CLKMD=0x0000;
while(*(volatile u16*)CLKMD＆0x0001){};
*(volatile u16*)CLKMD=0x9807;
*(volatile u16*)PMST=0x00A0;
*(volatile u16*)SWWSR=0x7fff;
*(volatile u16*)SWCR=0x0001;
*(volatile u16*)BSCR=0x8802;
*(volatile u16*)IMR=0x0001;
}
void start_ad1674(void)
{
port2=0x10;//向ADC写任何数启动转换
}

（2）数字滤波
FIR数字滤波器的结构
设h(n),n=0,1,2…N-1为滤波器的冲激响应,输入信号为x(n),则FIR滤波器就是要实现下列差分方程:
(12)
式中,y(n)为输出信号,即经过滤波之后的信号;N为滤波器阶数。FIR滤波器的最主要特点是没有反馈回路,因此是无条件稳定系统,其单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列。由式(1)可见,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算,不断地输入样本x(n),经延时(z-1)做乘法累加,再输出滤波结果y(n)。对式(1)进行Z变换,整理后可得FIR滤波器的传递函数为:
(13)
FIR滤波器的一般结构如图12所示。

图12　FIR滤波器结构

FIR低通滤波程序
char filter()
{
int i,n;
int sum, y[];
for(n=0;n<=255;n++)
{
sum=0;
　 for(i=0;i<=16;i++)
　　 {
sum+=h[i]*x[n+16-i]/32768;
　　　 y[n]=sum;
}
}
return (char)(y[n]);
}

（3）流量计算
累计流量程序
#define M 60
char accumulated_flow ()
{
int sum2 = 0;
for ( count2=0;count2<M;count2++)
{
sum2 + = instantaneous_flow ();
delay();
}
return (char)(sum2);
}