基于TMS320F2812 DSP的數(shù)字二氧化碳流量計的實現(xiàn)
點擊次數(shù)：1844 發(fā)布時間：2021-01-08 05:44:03
摘要：為降低二氧化碳流量計測量下限，拓展其應用領(lǐng)域，本文基于 TMS320F2812 DSP 為核心的數(shù)字二氧化碳流量計，采用頻域分析和時域分析相結(jié)合的方式，將二氧化碳流量計流量下線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了二氧化碳流量計的量程比。
引言
二氧化碳流量計通過測量旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦的頻率實現(xiàn)流量計量。因其在制造、使用和維護方面較其他類型的流量測量儀表有著獨特的優(yōu)勢，二氧化碳流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但由于其不適用于低流速流體的測量，二氧化碳流量計的使用也受到限制。
目前，采用基于模擬電子技術(shù)的信號處理方法的二氧化碳流量計被廣泛使用，為了解決二氧化碳流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控制核心，實現(xiàn)了用于液體測量的數(shù)字二氧化碳流量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者干擾)信號兩部分構(gòu)成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經(jīng)電荷放大電路和濾波電路后，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪聲同時被放大。因此二氧化碳流量計不適用于低流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加濾波器環(huán)節(jié)。目前在二氧化碳流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式只在電路的局部環(huán)節(jié)應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據(jù)信號、噪聲變化的特點采用數(shù)字技術(shù)的跟蹤濾波器、自適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑制噪聲，提取有用信號。
本課題設(shè)計的二氧化碳流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
本文設(shè)計的基于 TMS320F2812 DSP 的數(shù)字二氧化碳流量計的信號處理系統(tǒng)由前置放大電路和數(shù)字信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通二氧化碳流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發(fā)電路組成; 對于經(jīng)壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時域分析相結(jié)合的方式，即由前置放大電路和數(shù)字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波進行頻率計算，然后再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾波電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣的結(jié)果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*后由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。系統(tǒng)設(shè)計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在正常流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然后將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈沖計頻，再通過 DSP 運算處理，*后由事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。此設(shè)計方案借鑒了傳統(tǒng)模擬二氧化碳流量計的信號處理方法，具有在正常流量范圍內(nèi)高信噪比情況下計量準確、實時性好的優(yōu)點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦街信號容易受到嚴重的干擾，造成整形時的誤觸發(fā)，從而導致 DSP 計算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析通道，利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號進行采樣，之后進行快速傅里葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*后采用與時域分析通道相同的方式進行脈沖輸出。頻域分析通道的設(shè)計方案把數(shù)字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的測量下限且計量準確，具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度穩(wěn)壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示?？梢钥吹皆囼炑b置主要由兩個部分組成--稱重系統(tǒng)和標準表( 渦輪流量計) 系統(tǒng)。本文采用稱重系統(tǒng)進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發(fā)計時控制器，以保證水的重量和時間的同步測量。
稱量容器將其內(nèi)部水排空后，將電子秤示數(shù)調(diào)零，保證電子秤的示數(shù)為流入的水的重量。試驗開始時，換向器置于使水流入旁通管路的方向，當流量穩(wěn)定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈沖計數(shù)器。當?shù)竭_預定的水量時，設(shè)置換向器自動換向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈沖計數(shù)器顯示的脈沖數(shù)。由水的總質(zhì)量和計量的時間便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結(jié)合被校表脈沖數(shù)，實現(xiàn)儀表系數(shù)的標定。
4 試驗數(shù)據(jù)
將本文實現(xiàn)的數(shù)字二氧化碳流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量范圍內(nèi)進行試驗，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的*小流量。每個流量點試驗三次，計算其重復性、平均儀表系數(shù)和線性度。水流量試驗數(shù)據(jù)如表 1 所示。
本文實現(xiàn)的數(shù)字二氧化碳流量計有效地降低了DN50 液體二氧化碳流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結(jié)
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用于液體測量的數(shù)字二氧化碳流量計，由試驗數(shù)據(jù)可知，該數(shù)字二氧化碳流量計可實現(xiàn)對小流量液體的測量，拓寬了二氧化碳流量計的量程比。
引言
二氧化碳流量計通過測量旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦的頻率實現(xiàn)流量計量。因其在制造、使用和維護方面較其他類型的流量測量儀表有著獨特的優(yōu)勢，二氧化碳流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但由于其不適用于低流速流體的測量，二氧化碳流量計的使用也受到限制。
目前，采用基于模擬電子技術(shù)的信號處理方法的二氧化碳流量計被廣泛使用，為了解決二氧化碳流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控制核心，實現(xiàn)了用于液體測量的數(shù)字二氧化碳流量計。
1 渦街信號組成及處理
渦街信號主要由有用信號和噪聲( 或者干擾)信號兩部分構(gòu)成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經(jīng)電荷放大電路和濾波電路后，形 成 電 壓 信 號。在信號的放大過程中，有用信號和噪聲同時被放大。因此二氧化碳流量計不適用于低流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路中就需要增加濾波器環(huán)節(jié)。目前在二氧化碳流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的 ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式只在電路的局部環(huán)節(jié)應用;
2) 用電阻、電容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據(jù)信號、噪聲變化的特點采用數(shù)字技術(shù)的跟蹤濾波器、自適應濾波器;
4)用頻譜分析的方法對信號、噪聲的頻譜特性進行分析，抑制噪聲，提取有用信號。
本課題設(shè)計的二氧化碳流量計采用的是以上濾波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
本文設(shè)計的基于 TMS320F2812 DSP 的數(shù)字二氧化碳流量計的信號處理系統(tǒng)由前置放大電路和數(shù)字信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放大電路即為目前被廣泛應用的普通二氧化碳流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸發(fā)電路組成; 對于經(jīng)壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時域分析相結(jié)合的方式，即由前置放大電路和數(shù)字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模塊，對前置放大電路輸出的方波進行頻率計算，然后再由 DSP 事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾波電路輸出的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣的結(jié)果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率，*后由 DSP 通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。系統(tǒng)設(shè)計方案示意圖如圖 1 所示。
被測流體在正常流速下，選擇時域分析通道，即前置放大電路對渦街信號進行預處理，然后將此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行脈沖計頻，再通過 DSP 運算處理，*后由事件管理器通用定時器的比較輸出模塊進行脈沖輸出。此設(shè)計方案借鑒了傳統(tǒng)模擬二氧化碳流量計的信號處理方法，具有在正常流量范圍內(nèi)高信噪比情況下計量準確、實時性好的優(yōu)點。
被測流體在低流速下，若仍按上述方式，渦街信號容易受到嚴重的干擾，造成整形時的誤觸發(fā)，從而導致 DSP 計算、輸出頻率不準，甚至無法測量。選擇頻域分析通道，利用 DSP 其 A/D 采樣端口對經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號進行采樣，之后進行快速傅里葉變換和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值，*后采用與時域分析通道相同的方式進行脈沖輸出。頻域分析通道的設(shè)計方案把數(shù)字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的測量下限且計量準確，具有實際意義。
3 試驗裝置
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度穩(wěn)壓水流量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示?？梢钥吹皆囼炑b置主要由兩個部分組成--稱重系統(tǒng)和標準表( 渦輪流量計) 系統(tǒng)。本文采用稱重系統(tǒng)進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改變流體的流向，使水流入稱量容器或者旁通管路而不改變流量。換向器啟動時，觸發(fā)計時控制器，以保證水的重量和時間的同步測量。
稱量容器將其內(nèi)部水排空后，將電子秤示數(shù)調(diào)零，保證電子秤的示數(shù)為流入的水的重量。試驗開始時，換向器置于使水流入旁通管路的方向，當流量穩(wěn)定時，啟動換向器，將水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈沖計數(shù)器。當?shù)竭_預定的水量時，設(shè)置換向器自動換向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄計時器顯示的時間和被校表脈沖計數(shù)器顯示的脈沖數(shù)。由水的總質(zhì)量和計量的時間便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結(jié)合被校表脈沖數(shù)，實現(xiàn)儀表系數(shù)的標定。
4 試驗數(shù)據(jù)
將本文實現(xiàn)的數(shù)字二氧化碳流量計在上述 50mm 口 徑( 簡稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量范圍內(nèi)進行試驗，流量從大到小逐漸降低，之后不斷探求其所能測量的*小流量。每個流量點試驗三次，計算其重復性、平均儀表系數(shù)和線性度。水流量試驗數(shù)據(jù)如表 1 所示。
本文實現(xiàn)的數(shù)字二氧化碳流量計有效地降低了DN50 液體二氧化碳流量計的測量下限，*低可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結(jié)
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用于液體測量的數(shù)字二氧化碳流量計，由試驗數(shù)據(jù)可知，該數(shù)字二氧化碳流量計可實現(xiàn)對小流量液體的測量，拓寬了二氧化碳流量計的量程比。