流量檢測(cè)裝置說明書.doc

流量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)說明書1、 裝置需求：1. 100點(diǎn)流量差壓信號(hào)的采集。用鍵盤輸入流量系數(shù)，輸入時(shí)可顯示；2. 范圍0-1000l/min,采集周期0.5s,信號(hào)4-20mA，分辨力0.1%；3. 要求運(yùn)用數(shù)字濾波（方法自選）；4. 計(jì)算瞬時(shí)流量（l/min）、累計(jì)流量（m3/h）,并顯示；5. 操作人員可隨時(shí)修改流量系數(shù)和切換顯示內(nèi)容（瞬時(shí)/累計(jì)流量）。 2、 設(shè)計(jì)說明書要求：1. 系統(tǒng)構(gòu)成框圖及構(gòu)成說明，包括主要部件的選型及依據(jù)；2. DSP與A/D轉(zhuǎn)換芯片連接的電原理圖；3. 程序框圖，包括主要流程；4. 采集、數(shù)字濾波、流量計(jì)算程序清單。3、 差壓式流量計(jì)基本理論 1.節(jié)流裝置工作原理 差壓式流量計(jì)是根據(jù)伯努力方程和流體連續(xù)性原理用差壓法測(cè)量流量的，其節(jié)流裝置工作原理如圖1所示，在橫截面H處：流體的平均流速是v1，密度是1，橫截面積是A1；在橫截面L處：流體的平均流速是v2，密度是2，橫截面積是A2。圖1 差壓流量計(jì)工作原理圖 根據(jù)流體流動(dòng)連續(xù)性原理有如下關(guān)系式： v1A11=v2A22 （1） 如果流體是液體，可認(rèn)為在收縮前、后其密度不變：12 （2） 根據(jù)瞬時(shí)流量的定義，即單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道或明渠某橫截面的數(shù)量，所以液體的體積瞬時(shí)流量： （3） 根據(jù)伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1Z2，則有如下關(guān)系式： （4） 應(yīng)用伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性原理，在兩個(gè)橫截面上壓力差則有如下關(guān)系式： （5） 將（3）代入（5）式，并整理，則得： （6） 由于， ， 定義直徑比， 其中d為工作狀況下節(jié)流件的等效開孔直徑，D為管道直徑，則得到： （7） 這樣可推導(dǎo)出以下的理論流量公式： （8） 又由于流量系數(shù)C的定義是：C= 實(shí)際流量/理論流量，可得出節(jié)流式差壓流量計(jì)普遍適用的測(cè)量體積流量的實(shí)際流量公式： （9） 其中，為被測(cè)介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)：對(duì)于液體=1； 對(duì)氣體、蒸氣等可壓縮流體1 。 根據(jù)累計(jì)流量的定義，即在某一段時(shí)間內(nèi)流過某橫截面流體的總量，所以液體的體積累計(jì)流量為： （10） 因此，我們只要檢測(cè)出差壓即可分別計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量的大小。2. 差壓變送器工作原理在采用差壓方式進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，其流量與差壓呈非線性關(guān)系，即差壓信號(hào)與流量之間存在一個(gè)開方關(guān)系。為了線性的表達(dá)流量，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)總的流量信號(hào)進(jìn)行一次開放運(yùn)算，具體如下： （11）即：應(yīng)用實(shí)例：求測(cè)量范圍為0-4KPa，輸出4-20mA的帶開方差壓變送器，輸入2KPa差壓值時(shí)的輸出電流為多少？輸入2KPa時(shí)的輸出電流=mA4、 差壓式流量計(jì)硬件設(shè)計(jì) 差壓式流量計(jì)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示， 首先安裝在管道中的多個(gè)節(jié)流裝置檢測(cè)出流體差壓，送入差壓變送器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流（4-20mA）；然后DSP控制多路模擬開關(guān)選擇輸出一路電流到放大器，使其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓（0-5V）；最后信號(hào)由A/D采樣后導(dǎo)入到DSP（同時(shí)選通第二路電流信號(hào)），對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。圖2 差壓式流量計(jì)整體設(shè)計(jì)框圖1. 節(jié)流裝置的選型根據(jù)裝置需求 100點(diǎn)流量差壓信號(hào)的采集，范圍0-1000l/min，本設(shè)計(jì)選用MPA（Multi-Point Averaging Flow meter）流量計(jì)(多點(diǎn)測(cè)量平均流速流量計(jì))。每個(gè)MPA流量計(jì)有24點(diǎn)流量信號(hào)的采集，相比其他只能2點(diǎn)流量信號(hào)采集結(jié)構(gòu)的流量計(jì)而言，精度高；同時(shí)流量范圍1-15000（m3/h）遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。MPA流量計(jì)是一種用于測(cè)量管道中液體，氣體或蒸汽等流體流量的新型的差壓式流量計(jì)。流體的流量正比于流量計(jì)差壓信號(hào)的平方根，用戶只需配用差壓計(jì)及流量顯示積算儀就可以得到準(zhǔn)確的流量測(cè)量。（1）與一般的速度式流量計(jì)的區(qū)別 ：例如：皮托管流量計(jì)測(cè)量的是某個(gè)點(diǎn)的流速；均速管流量計(jì)測(cè)量的是管道縱向或橫向分布的平均流速。而MPA流量計(jì)是測(cè)量分布在管道截面上多個(gè)點(diǎn)（測(cè)量點(diǎn)是嚴(yán)格按切比雪夫積分法選取在管道橫截面上）的流體流速并最終得到準(zhǔn)確的管道平均流速測(cè)量，因此它具有良好的流量測(cè)量準(zhǔn)確度；（2）與一般節(jié)流式差壓流量計(jì)的區(qū)別：與節(jié)流式孔板流量計(jì)、v型內(nèi)錐式流量計(jì)等相比。MPA流量計(jì)的管道壓力損失很小，僅為普通孔板流量計(jì)的1/5-1/8，是一種節(jié)能式流量測(cè)量?jī)x表；由于測(cè)量是通過管道截面多點(diǎn)平均流速的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的，因此MPA流量計(jì)對(duì)前直管段要求相對(duì)較低，一般表前有5倍D的直管段就可以滿足測(cè)量要求，而表后只要有2倍D的直管段就可以滿足要求；場(chǎng)取壓差壓測(cè)量技術(shù)措施可抑制測(cè)量噪聲，提高信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量范圍度一般可達(dá)到1：12或更大。MPA流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 MPA流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖用MPA流量計(jì)測(cè)量流量的關(guān)鍵是如何確定特征點(diǎn)（即流速測(cè)量點(diǎn)的分布）。目前比較常用的有等環(huán)面法、切比雪夫積分法和對(duì)數(shù)線性法。等環(huán)面法將半徑為R的圓管分成n個(gè)面積相等的同心圓環(huán)（最中間的為圓）。在每一個(gè)圓環(huán)的等面積處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，即特征點(diǎn)位置。半徑方向上n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置為r1、r2、r3、rn，。切比雪夫積分法是利用切比雪夫插值點(diǎn)ti求函數(shù)在區(qū)間1到1的積分的一種近似算法。經(jīng)過變換，可以求得管內(nèi)半徑方向的測(cè)點(diǎn)位置。對(duì)數(shù)線性法選擇特征點(diǎn)的原則是把各環(huán)面上的平均速度看作是該環(huán)面上各特征點(diǎn)所測(cè)得的速度的算術(shù)平均值。而整個(gè)截面上的平均速度就等于各環(huán)面平均速度的算術(shù)平均值。MPA流量計(jì)是嚴(yán)格按照切比雪夫法選取分布在管道上的流速測(cè)量點(diǎn)的，其分布圖如圖4如下： 圖4 流速測(cè)量點(diǎn)分布示意圖MPA流量計(jì)為低壓差設(shè)計(jì)，因此測(cè)量氣體時(shí)一般不必考慮氣體膨脹系數(shù)的影響。只有在低壓系統(tǒng)中使用（例如常壓系統(tǒng)氣體流量測(cè)量），差壓值與系統(tǒng)壓力比（p/P）大于4時(shí)需要考慮氣體膨脹性對(duì)測(cè)量的影響。因此，MPA流量計(jì)是一種新型的高性能的流量測(cè)量?jī)x表。其參數(shù)指標(biāo)如下：2. 差壓變送器的選型 根據(jù)裝置需求輸出電流4-20mA，另外考慮到測(cè)量范圍、精度等級(jí)及工作溫度等多種因素，本設(shè)計(jì)選擇ZL1151電容式差壓變送器。ZL1151輸出電流4-20（mA）,測(cè)量范圍0-40000（KPa），精度等級(jí)0.05%，工作溫度-40-140攝氏度，優(yōu)于裝置需求。ZL1151電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5 差壓變送器結(jié)構(gòu)圖 產(chǎn)品特點(diǎn)：超級(jí)的測(cè)量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測(cè)量；精度高：數(shù)字精度+（-）0.05%；模擬精度+（-）0.5%+（-）0.1%F.S；量程、零點(diǎn)外部連續(xù)可調(diào)，量程比100：1；正遷移可達(dá)500%、負(fù)遷移可達(dá)600%；穩(wěn)定性能好，穩(wěn)定性：0.25% 60個(gè)月；耐過壓；固體傳感器設(shè)計(jì)；全系列統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、互換性強(qiáng)；接觸介質(zhì)的膜片材料可選；低壓澆鑄鋁合金殼體；測(cè)量速率：0.2S；小型化（2.4kg）全不銹鋼法蘭，易于安裝；過程連接與其它產(chǎn)品兼容，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量；采用16位計(jì)算機(jī)的智能變送器；標(biāo)準(zhǔn)4-20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，遠(yuǎn)程操控；支持向現(xiàn)場(chǎng)總線與基于現(xiàn)場(chǎng)控制的技術(shù)的升級(jí)； ZL1151電容式差壓變送器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：3. 多路模擬開關(guān)的選型 考慮到100點(diǎn)差壓信號(hào)的采集需要100路模擬開關(guān)控制，因此本設(shè)計(jì)選用13片AD7501芯片，通過DSP發(fā)出控制信號(hào)選擇某一路差壓信號(hào)輸入。其邏輯結(jié)構(gòu)及引腳如圖6所示，3個(gè)地址線A1、A2、A3，1個(gè)使能端EN，8路輸入S1、S2-S8，1路輸出Out。圖6 AD7501邏輯結(jié)構(gòu)及引腳圖AD7501性能指標(biāo)如下：CMOS工藝制造；單8路1模擬多路轉(zhuǎn)換器；16引腳DIP封裝；電源：+/-15V；功耗：300uW；開關(guān)接通電阻：170歐；開關(guān)接通、斷開時(shí)間：0.8us；4. 放大電路 由于差壓變送器的輸出信號(hào)為電流值，且幅值較小達(dá)不到ADC需要的采樣幅值，所以信號(hào)首先要經(jīng)過放大器的放大處理，轉(zhuǎn)化為0-5V的電壓信號(hào)，如圖7所示，發(fā)射信號(hào)經(jīng)一對(duì)二極管IN4007的幅值保護(hù)后由同相放大器LF357與反相放大器LM318完成信號(hào)的放大處理。 圖7 放大電路5. A/D轉(zhuǎn)換器的選型 根據(jù)裝置需求分辨力0.1%，（分辨力是指儀表能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比），以及采集周期0.5s，所以本設(shè)計(jì)選用美國(guó)AD公司新近推出的一種性能優(yōu)越、由BMIOS工藝制成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADl674。本芯片采用12位逐次比較方式工作，除了具有較高分辨力0. 05%外，采樣頻率高達(dá)100 kHz,即轉(zhuǎn)換速率達(dá)10s，片內(nèi)還集成有高精度的基準(zhǔn)電壓源與時(shí)鐘電路，從而使芯片在不需要任何外加電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成A/D轉(zhuǎn)換，使用非常方便。 AD1674 的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下：帶有內(nèi)部采樣保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；采樣頻率為100kHz；轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s；具有1/2LSB 的積分非線性（INL）以及12 位無(wú)漏碼的差分非線性（DNL）；滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%；內(nèi)有+10V 基準(zhǔn)電源，也可使用外部基準(zhǔn)源；四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為5V，10V，0V10V 和0V20V；數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12 位可選微處理器總線接口； ADl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列如圖8所示。各引腳的符號(hào)、類型及意義請(qǐng)參考有關(guān)資料手冊(cè)。圖8 ADl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列6. DSP芯片的選型根據(jù)裝置需求對(duì)100點(diǎn)差壓數(shù)據(jù)采集，周期0.5秒，數(shù)據(jù)量較大，對(duì)速度有較高要求，同時(shí)對(duì)精度上要求10位以上，所以本設(shè)計(jì)選用TMS320C5402定點(diǎn)dsp處理器。TMS320VC5402是C54x系列的杰出代表,是一款性價(jià)比極高的定點(diǎn)DSP，具有速度快（指令周期為10ns ），精度高（32位），192K bytes的存儲(chǔ)空間(64K bytes的程序存儲(chǔ)空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、64K bytes的I/O空間),功耗低，價(jià)格便宜的特點(diǎn)。C54x采用多總線技術(shù),具有一條程序總線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線,可同時(shí)進(jìn)行程序指令和數(shù)據(jù)的存取,具有高度的并行性。C54x采用模塊化的設(shè)計(jì),使派生器件得到了快速的發(fā)展,并且采用了最新的芯片制造工藝,提高了芯片的性能,降低了功耗。TMS320C5402基本特點(diǎn)：運(yùn)算速度快，指令周期為10ns；192K bytes的存儲(chǔ)空間(64K bytes的程序存儲(chǔ)空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、64K bytes的I/O空間)；優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元、2個(gè)40位的累加器、2個(gè)40位的加法器、1個(gè)1717乘法器和40位的桶型移位器，有4條內(nèi)部總線和2個(gè)地址產(chǎn)生器； 低功耗，可在3.3V或2.7V電壓下工作，三個(gè)低功耗方式； 智能外設(shè)，除標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時(shí)分復(fù)用串行口外，還含有自動(dòng)緩存串行口（2k buffer)和外部處理器并行口HPI。 TMS320C5402的結(jié)構(gòu)如圖9所示。各引腳的符號(hào)、類型及意義請(qǐng)參考有關(guān)資料手冊(cè)。圖9 TMS320C5402的結(jié)構(gòu)圖7. DSP與A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計(jì) ADl674有2種工作方式：獨(dú)立工作方式和完全受控方式。獨(dú)立工作方式不需使用全部控制信號(hào),具有專用輸入端口，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換要比完全受控方式精確；完全受控方式要使用全部控制信號(hào)，適用于多個(gè)需尋址電路掛在同一總線的情況，接口電路對(duì)各種控制信號(hào)的時(shí)序要求嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)要復(fù)雜些.考慮到本系統(tǒng)有多個(gè)尋址電路，故采用完全受控方式。完全受控方式下ADl674啟動(dòng)和讀數(shù)時(shí)序如圖10所示。圖10 ADl674啟動(dòng)和讀數(shù)時(shí)序圖 當(dāng)要啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換時(shí)，只需向ADC寫一任意數(shù)據(jù)即可，此時(shí)CE變高，而CS變低，R /C=0，AD1674啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后STS發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時(shí)，CE變高，同時(shí)R /C=1，而CS為低，DSP通過數(shù)據(jù)線從總線驅(qū)芯片74ACT16245讀取AD1674轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。從完全受控方式的工作時(shí)序圖可以看出，無(wú)論是進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換還是進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，為了使AD1674能可靠地工作，CE信號(hào)需落后R /C信號(hào)約50ns。 完全受控工作方式下AD1674與TMS320C5402的接口電路圖如圖11所示。圖11 AD1674與TMS320C5402的接口電路圖5、 差壓式流量計(jì)軟件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：（1） 首先向DSP發(fā)出輸入流量系數(shù)的中斷請(qǐng)求，然后通過矩陣鍵盤輸入流量系數(shù)并由LED顯示；（2） DSP向多路模擬開關(guān)發(fā)出控制命令，使100點(diǎn)差壓信號(hào)在1min內(nèi)，以0.5s的數(shù)據(jù)采集周期以次順序通過A/D采樣、數(shù)字濾波、流量計(jì)算，（其中每min瞬時(shí)流量為每路差壓信號(hào)即刻測(cè)定流量值，每h累計(jì)流量為60min的瞬時(shí)流量累加和），最后存儲(chǔ)在分配好的數(shù)據(jù)空間待讀出顯示；（3） 向DSP發(fā)出某一路瞬時(shí)流量/累計(jì)流量中斷請(qǐng)求，DSP響應(yīng)中斷并從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間取出流量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。1. 軟件設(shè)計(jì)流程圖總程序流程圖中斷流程圖數(shù)據(jù)采集及處理流程圖矩陣鍵盤流程圖LED顯示流程圖2. 程序設(shè)計(jì) （1）數(shù)據(jù)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時(shí)鐘和CPU*(volatile u16*)CLKMD=0x0000;while(*(volatile u16*)CLKMD0x0001);*(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 sta