流量檢測裝置說明書

1、流量檢測裝置設(shè)計說明書、裝置需求:1. 100點(diǎn)流量差壓信號的采集。用鍵盤輸入流量系數(shù)，輸入時可顯示；2. X 圍 0-10001/min,采集周期 0.5s信號 4-20mA，分辨力 0.1%;3. 要求運(yùn)用數(shù)字濾波方法自選；4. 計算瞬時流量l/min、累計流量m3/h，并顯示；5. 操作人員可隨時修改流量系數(shù)和切換顯示內(nèi)容瞬時/累計流量、設(shè)計說明書要求:1. 系統(tǒng)構(gòu)成框圖與構(gòu)成說明，包括主要部件的選型與依據(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、流量計算程序清單。三、差壓式流量計根本理論差壓式流量計是根據(jù)伯努力方程和流體連續(xù)性原理

2、用差壓法測量流量的，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p 1,橫截面積是A;在橫截面L處：流體的平均流速是V2,密度是p 2,橫截面積 是A?o根據(jù)流體流動連續(xù)性原理有如下關(guān)系式：V1 A1 p 1=V2 A2 p 2 1如果流體是液體，可認(rèn)為在收縮前、后其密度不變：p 1 =p 2=p 2根據(jù)瞬時流量的定義，即單位時間內(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流量：qv v1 A v2 A2 3根據(jù)伯努利方程能量守恒定律，在水平管道上 Z1二Z2,如此有如下關(guān)系式：2 2R上P2上42 2應(yīng)用伯努利方程和流動連續(xù)性原理，在兩個橫截面上壓力差

3、如此有如下關(guān)系 式：P2 2F1P2 (V2V1 )5將3代入5式，并整理，如此得：P1 ( A ) v22A6舟工D2由于A，A2d2，定義直徑比-，其中d為工作狀況44D下節(jié)流件的等效開孔直徑，D為管道直徑，如此得到：P7這樣可推導(dǎo)出以下的理論流量公式:1,2 2 Pr、qv 4 d 814 4, i又由于流量系數(shù)C的定義是：C=實際流量/理論流量，可得出節(jié)流式差壓流 量計普遍適用的測量體積流量的實際流量公式：qvC4,其中，£為被測介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)：對于液體 =1；對氣體、蒸氣等可壓縮 流體V 1。根據(jù)累計流量的定義，即在某一段時間內(nèi)流過某橫截面流體的總量，所以液 體的體積累

4、計流量為：10Qvtqvdt因此，我們只要檢測出差壓即可分別計算出瞬時流量和累計流量的大小。2. 差壓變送器工作原理在采用差壓方式進(jìn)展流量測量時，其流量 Qv與差壓P呈非線性關(guān)系，即差壓信號與流量之間存在一個開方關(guān)系。 為了線性的表達(dá)流量，需要對測量系統(tǒng)總 的流量信號進(jìn)展一次開放運(yùn)算，具體如下：輸出值 輸出起始值輸入值 輸入起始值輸出滿程值 輸出起始值 輸入滿程值 輸入起始值即：輸出值輸入滿程值輸入起始值值（輸出滿程值輸出起始值）輸出起始值應(yīng)用實例：求測量X圍為0-4KPa,輸出4-20mA的帶開方差壓變送器，輸入2KPa差壓 值時的輸出電流為多少？輸入2KPa時的輸出電流=2 0VT0(20

5、 4) 4.0.5 16 4 15.31mA四、差壓式流量計硬件設(shè)計差壓式流量計整體設(shè)計框圖如圖 2所示，首先安裝在管道中的多個節(jié)流裝 置檢測出流體差壓 Pj，送入差壓變送器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流 Ij 4-20mA；然后DSP控制多路模擬開關(guān)選擇輸出一路電流Ij到放大器，使其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓 Uj 0-5V；最后信號由A/D采樣后導(dǎo)入到DSP同時選通第二路電流信號， 對多路數(shù)據(jù)進(jìn)展處理并顯示。差壓變送器多 路 模 擬 開 關(guān)顯示鍵盤差壓變送器圖2差壓式流量計整體設(shè)計框圖1.節(jié)流裝置的選型根據(jù)裝置需求100點(diǎn)流量差壓信號的采集，X圍0-10001/min，本設(shè)計選用MPAMulti-Point Aver

6、aging Flow meter流量計（多點(diǎn)測量平均流速流量計）。每 個MPA流量計有24點(diǎn)流量信號的采集，相比其他只能2點(diǎn)流量信號采集結(jié)構(gòu)的 流量計而言，精度高；同時流量 X圍1-15000 m3/h遠(yuǎn)超過設(shè)計指標(biāo)要求。MPA流量計是一種用于測量管道中液體，氣體或蒸汽等流體流量的新型的差 壓式流量計。流體的流量正比于流量計差壓信號的平方根，用戶只需配用差壓計 與流量顯示積算儀就可以得到準(zhǔn)確的流量測量。1與一般的速度式流量計的區(qū)別：例如：皮托管流量計一測量的是某個點(diǎn)的流速；均速管流量計一測量的是管 道縱向或橫向分布的平均流速。而 MPA流量計是測量分布在管道截面上多個點(diǎn) 測量點(diǎn)是嚴(yán)格按切比雪夫

7、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量，因此它具有良好的流量測量準(zhǔn)確度；2與一般節(jié)流式差壓流量計的區(qū)別：與節(jié)流式孔板流量計、v型內(nèi)錐式流量計等相比。MPA流量計的管道壓力損 失很小，僅為普通孔板流量計的1/5-1/8，是一種節(jié)能式流量測量儀表；由于測量是通過管道截面多點(diǎn)平均流速的測量來實現(xiàn)的，因此MPA流量計對前直管段要求相對較低，一般表前有 5倍D的直管段就可以滿足測量要求， 而表后只要有2倍D的直管段就可以滿足要求；場取壓差壓測量技術(shù)措施可抑制測量噪聲，提高信號測量的準(zhǔn)確性，測量X圍度一般可達(dá)到1： 12或更大。MPA流量計的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 MPA流量計的

8、結(jié)構(gòu)圖用MPA流量計測量流量的關(guān)鍵是如何確定特征點(diǎn)即流速測量點(diǎn)的分布。 目前比擬常用的有等環(huán)面法、切比雪夫積分法和對數(shù)線性法。等環(huán)面法將半徑為R的圓管分成n個面積相等的同心圓環(huán)最中間的為圓 在每一個圓環(huán)的等面積處設(shè)置測量點(diǎn)， 即特征點(diǎn)位置。半徑方向上n個測量點(diǎn)的：2i 1 ri位置為 r1、r2、r3、rn，2n 。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riX種近似算法。經(jīng)過變換，可以求得管內(nèi)半徑方向的測點(diǎn)位置2 2 0對數(shù)線性法選擇特征點(diǎn)的原如此是把各環(huán)面上的平均速度看作是該環(huán)面上各特征點(diǎn)所測得的速度的算術(shù)平均值。而整個截面上的平均速度就等于各環(huán)面平均速度的算術(shù)

9、平均值。MPA流量計是嚴(yán)格按照切比雪夫法選取分布在管道上的流速測量點(diǎn)的，其分布圖如圖4如下：ELI XTILE圖4流速測量點(diǎn)分布示意圖MPA流量計為低壓差設(shè)計，因此測量氣體時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)氣體流量測量，差壓值與系統(tǒng)壓力 比厶p/P大于4%時需要考慮氣體膨脹性對測量的影響。因此，MPA流量計是一種新型的高性能的流量測量儀表。其參數(shù)指標(biāo)如下：皂ZLMA-2差醫(yī)式就雖計測是苗匪轄度等紅0340-601 < nm】工怔壓力2P( NPalT化湍號 600 C1C J2.差壓變送器的選型根據(jù)裝置需求輸出電流4-20mA另外考慮到測量X圍、精度等級

10、與工作溫 度等多種因素，本設(shè)計選擇 ZL1151電容式差壓變送器。ZL1151輸出電流4-20mA ,測量X圍0-40000 KPa，精度等級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)：超級的測量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測量；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個月；耐過壓；固體傳感器設(shè)計；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

11、選；低壓澆鑄鋁合金殼體； 測量速率：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，實現(xiàn)最優(yōu)測量；采用16位計算機(jī)的智能變送器；標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字信號，遠(yuǎn)程操控；支持向現(xiàn)場總線與基于現(xiàn)場 控制的技術(shù)的升級；ZL1151電容式差壓變送器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：n工定制ZL型號ZL3BS1莞型1測sn皿港件、氣偉，蒸肓測總范圍-43000 C 皿)蓿度尊級D. 05圖6 AD7501邏輯結(jié)構(gòu)與引腳圖AD7501性能指標(biāo)如下： CMOS：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：300uvy開關(guān)接通電阻：17

12、0歐；開關(guān)接通、斷開時間：0.8us ；4. 放大電路由于差壓變送器的輸出信號為電流值，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，如圖7 所示，發(fā)射信號經(jīng)一對二極管IN4007的幅值保護(hù)后由同相放大器LF357與反相j揄岀值號4-2D ( nk)丨電源蚯如匚(V )工作融-40-140 ( £ )3. 多路模擬開關(guān)的選型考慮到100點(diǎn)差壓信號的采集需要100路模擬開關(guān)控制，因此本設(shè)計選用13 片AD7501芯片，通過DSP發(fā)出控制信號選擇某一路差壓信號輸入。其邏輯結(jié)構(gòu) 與引腳如圖6所示，3個地址線A1、A2、A3, 1個

13、使能端EN 8路輸入S1、S2- -S8，1 路輸出 Out。聲MAtAA+七二OUT P廠廠-n ！ I放大器LM318完成信號的放大處理R2 LOOKR>10 aE'lD；v A5. 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，以與采集周期0.5s，所以本設(shè)計選用美國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ADI674。本芯 片采用12位逐次比擬方式工作，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)10卩s,片內(nèi)還集成有高精度的基準(zhǔn)電壓源與時鐘電路，

14、 從而使芯片在不需要任何外加電路和時鐘信號的情況下完成A/D轉(zhuǎn)換，使用非常方便。AD1674的根本特點(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)換時間為10卩s；具有土 1/2LSB的積分非線性INL以與12位無漏碼的差分非線性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X圍分別為土 5V, 土 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； JADl674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳排列如圖8所示。各引腳的符號、類型與意義請參 考有關(guān)資料

15、手冊。12/SJtEF OLTAGPHEF IXB：P 0"F20VmtOVKSTSvzrXIFwQhl血辛DB11 DROaSB)LOGhC 口CST 嶺巨 rc|T ceLa VCC(Z REF OUT巨 AGNDry REFIW 叵 veeU 8IPOFF|j2AD1S74TOPVEWiNkrt to Schale qdd q. comhttp/www.uo圖8 ADI674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳排列6.DSP芯片的選型根據(jù)裝置需求對100點(diǎn)差壓數(shù)據(jù)采集，周期0.5秒，數(shù)據(jù)量較大，對速度有 較高要求，同時對精度上要求10位以上，所以本設(shè)計選用TMS320C540定點(diǎn)dsp 處理器。T

16、MS320VC540是 C54x系列的杰出代表,是一款性價比極高的定點(diǎn) DSP 具有速度快指令周期為10ns，精度高32位，192K bytes的存儲空間 （64K bytes的程序存儲空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲空間、64K bytes的I/O空 間）,功耗低，價格廉價的特點(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，可同時進(jìn)展程序指令和數(shù)據(jù)的存取，具有高度的并行 性。C54x采用模塊化的設(shè)計，使派生器件得到了快速的開展，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。TMS320C540根 本特點(diǎn)：運(yùn)算速度快，指令周期為10n s； 192

17、K bytes的存儲空間（64K bytes 的程序存儲空間、64K bytes的數(shù)據(jù)存儲 空間、64K bytes的I/O空間）；優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。1個40位的算術(shù)邏輯單元、2個40位的累加器、2個40位 的加法器、1個17X 17乘法器和40位的桶型移位器，有4條內(nèi)部總線和2個地 址產(chǎn)生器；低功耗，可在3.3V或2.7V電壓下工作，三個低功耗方式； 智能外設(shè)，除標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時分復(fù)用串行口外，還含有自動緩存串行口 2k buffer）和外部處理器并行口 HPI。TMS320C540的結(jié)構(gòu)如圖9所示。各引腳的符號、類型與意義請參考有關(guān)資料手冊。W 口串疔接口并打接口外部管理數(shù)擁總縄 外韶管豐

18、地址銘皺數(shù)據(jù)地址總鉞 程序暫據(jù)總皺 程序地址爲(wèi)怨圖9 TMS320C5402的結(jié)構(gòu)圖7. DSP與A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計號,ADI674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，具有專用輸入端口，啟動轉(zhuǎn)換要比完全受控方式準(zhǔn)確；完全 受控方式要使用全部控制信號，適用于多個需尋址電路掛在同一總線的情況，接口電路對各種控制信號的時序要求嚴(yán)格，因此設(shè)計要復(fù)雜些考慮到本系統(tǒng)有多個尋址電路，故采用完全受控方式。完全受控方式下ADl674啟動和讀數(shù)時序如DBJ -DBO圖10所示。17JrT1_51111y-C5f、 1D薩I11111 11 * -rl/V -11

19、Y 50 ns 11 g11TXSTSSTSDbtl * DBO(b)A D讀結(jié)果圖10 ADI674啟動和讀數(shù)時序圖當(dāng)要啟動AD轉(zhuǎn)換時，只需向ADC寫一任意數(shù)據(jù)即可，此時CE變高，而CS 變低，R /C=0, AD1674啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后STS發(fā)出中斷請求信號，在中斷 服務(wù)程序中讀轉(zhuǎn)換結(jié)果，此時，CE變高，同時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 作時序圖可以看出，無論是進(jìn)展AD轉(zhuǎn)換還是進(jìn)展讀取數(shù)據(jù)，為了使AD1674能 可靠地工作，CE信號需落后R /C信號約50ns。完全受控工作方式下 AD1674與

20、TMS320C5402的接口電路圖如圖11所示。圖11 AD1674與TMS320C5402勺接口電路圖五、差壓式流量計軟件設(shè)計設(shè)計思想：（1）首先向DSP發(fā)出輸入流量系數(shù)的中斷請求，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、流量計算，其中每min 瞬時流量為每路差壓信號即刻測定流量值，每h累計流量為60min的瞬時流量累 加和，最后存儲在分配好的數(shù)據(jù)空間待讀出顯示；（3） 向DSP發(fā)出某一路瞬時流量/累計流量中斷請求，DSP響應(yīng)中斷并從數(shù)據(jù) 存儲空間取出

21、流量數(shù)據(jù)進(jìn)展顯示。1. 軟件設(shè)計流程圖開始中斷設(shè)置1開中斷r是否發(fā)生中斷結(jié)束數(shù)據(jù)采集數(shù)字濾波流量計算1r調(diào)用中斷子程序總程序流程圖V保護(hù)現(xiàn)場1f流量系數(shù)顯示（C）r恢復(fù).現(xiàn)場1r結(jié)束中斷子程序開始（INT1）1r保護(hù)現(xiàn)場1r瞬時流量顯示（l/min ）r恢復(fù)現(xiàn)場結(jié)束中斷子程序開始（INT2）1保護(hù)現(xiàn)場1f累計流量顯示（m3/h）r恢復(fù).現(xiàn)場1r中斷子程序開始（INT3）結(jié)束中斷流程圖開始定時/計數(shù)器初始化t=0,i=11r啟動定時/計數(shù)器N計數(shù)器i<=100?等待 while(1)定時器t<=0.5s?1Yr片選多路模擬開關(guān)輸入電流lj1啟動A/D轉(zhuǎn)換11轉(zhuǎn)換結(jié)束STS=0YA/D

22、并行輸F了出至DSP1r數(shù)字濾波1F流量計算數(shù)據(jù)采集與處理流程圖矩陣鍵盤流程圖開始設(shè)置顯示數(shù)碼管個數(shù)設(shè)置譯碼模式設(shè)置LED亮度設(shè)置LED工作狀態(tài)串行裝入顯示數(shù)據(jù)1串行驅(qū)動LED顯示Jled顯天完？Y I結(jié)束LED顯示流程圖2. 程序設(shè)計1數(shù)據(jù)采集void mai n()in it_5402();while(1)start_ad1674();while( "(volatile u16*)IFR)& 0x0001);void in it_5402(void) 初始化 VC5402時鐘和 CPU*(volatile u16*)CLKMD=0x0000;while(*(volatile u16*)CLKMD&0x0001)0;*(volatile u16*)CLKMD=0x9807;*(volatile u16*)PMST=0x00A0;*(volatile u16*)SWW