一種新型的電磁渦街水表

一種新型的電磁渦街水表李雯1，戴華平1，許玉芳2（1中國杭州浙江大學(xué)信息學(xué)院，2中國北京雷薩德儀表公司）摘要：為了使渦街流量計適用于自來水行業(yè)的計量要求，本文采用電磁檢測方法，并采用諸如MSP430單片機等微功耗芯片，結(jié)合軟件技術(shù)，設(shè)計出一種具有功耗低、量程寬、精度高等特點的電磁渦街水表。關(guān)鍵詞：低功耗，渦街，水表引言本文所設(shè)計的電磁渦街水表基于渦街流量計的原理，并且采用電磁渦街傳感器采集流量信號。渦街流量計具有量程寬，無可動部件，運行可靠，維護簡單，壓力損失小，具有較高的計量精度等優(yōu)點。而采用電磁檢測方法，使得水表除了一般渦街流量計所具有的優(yōu)點外，還可以消除三維方向上的振動干擾，并具有很好的抗電磁干擾能力。整個系統(tǒng)采用3.6V鋰電池供電，從而水表能夠在偏遠環(huán)境中工作。為了避免頻繁更換電池，降低水表功耗是系統(tǒng)設(shè)計的首要目標，設(shè)計時從硬件、軟件二方面來考慮降低功耗的方法。渦街信號在低流速的情況下表現(xiàn)為低強度、低頻率，所以低流速下信號的測量是擴大量程范圍的難點。通過選擇性能優(yōu)越的運算放大器和對放大電路參數(shù)的不斷改進，水表實現(xiàn)了低流速下的信號測量。電磁渦街水表的工作原理渦街流量計是根據(jù)卡門渦街原理來進行流量測量。在流動的液體中插入一個非流線型柱狀物（如三角型柱體或梯形柱體）即漩渦發(fā)生體，流體在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)在漩渦發(fā)生體下游會產(chǎn)生兩列不對稱且又有規(guī)律的漩渦。漩渦分離的頻率和流體流速之間呈下列關(guān)系：vf二S1；式中，f為漩渦分離頻率，H；v［為漩渦發(fā)生體兩側(cè)流體的平均流速，m/s；b1b為漩渦發(fā)生體迎流面的最大寬度，m；St為斯特勞哈爾數(shù)，當雷諾數(shù)Re>2X104，D漩渦發(fā)生體和管徑尺寸確定后，是一個無量綱常數(shù)。則流體的平均流速與漩渦分離頻率f成正比，通過測得分離頻率f即可求得流體的平均流速vi，由vi即可求得流體的體積流量Q，Q與f之間呈線性關(guān)系。電磁法檢測技術(shù)是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動時，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢的原理，把被測量轉(zhuǎn)換成電量的技術(shù)。圖2.1給出了電磁渦街流量計的原理圖。磁通是恒定的，兩列漩渦交變地不斷出現(xiàn)，以不同方向切割磁感線，在電極間產(chǎn)生交變電動勢。交變電動勢的頻率即為漩渦的頻率。因此，只要測出電極輸出交變電動勢的頻率，就可以知道流體的體積流量。該檢測方式要求流體有一定的導(dǎo)電性。

圖2.1電磁渦街流量計原理信號處理硬件電路組成硬件電路中使用的元器件的數(shù)量越少，系統(tǒng)的可靠性越高。因此，設(shè)計系統(tǒng)時盡量使用了集成度高的器件。圖3.1給出水表的硬件電路設(shè)計框圖。MSP430F447單片機通信模塊EEPROM模塊信號電極放大濾波電路整形電路顯示模塊MSP430F447單片機通信模塊EEPROM模塊信號電極放大濾波電路整形電路顯示模塊圖3.1硬件框圖處理器模塊單片機作為系統(tǒng)的核心處理器需要根據(jù)流量儀表整體性能的要求來選擇適當型號的。本測量系統(tǒng)進行的數(shù)學(xué)運算并不是很多，側(cè)重于降低功耗、提高運行速度，從這一點出發(fā)，選用了TI公司生產(chǎn)的MSP430F44X作為本測量系的CPU。TI先進的CMOS技術(shù)使芯片具有很寬的性能范圍和很低的工作電流。由于采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計，電源操作能耗很低，但非常可靠。MSP430有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4），而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的超低功耗性能能夠滿足電池供電的水表系統(tǒng)。系統(tǒng)在初始化后進入待機模式，當有允許的中斷請求時，CPU將在6uS的時間內(nèi)被喚醒，進入活動模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完畢，在RETI指令之后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。MSP430F447單片機引進了“用戶可選擇振蕩器”的新設(shè)計概念，它允許用戶在3種振蕩器工作方式（分別為帶鎖頻環(huán)的內(nèi)部DC0振蕩器，外部高頻震蕩器XT2，外部低頻震蕩LFXT1,工作頻率范圍從直流到8MHZ）中選擇一種振蕩器形式讓芯片執(zhí)行指令，以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。在本測量系統(tǒng)中，為了提高可靠性和降低系統(tǒng)功耗，選擇了帶鎖頻環(huán)的內(nèi)部DCO振蕩器和外部LFXT1相結(jié)合的方式。通常情況下使系統(tǒng)進入低功耗模式3,僅讓外部LFXT1工作以提供實時時鐘，當有中斷發(fā)生時，喚醒帶鎖頻環(huán)的高速內(nèi)部DCO振蕩器，讓其處理發(fā)生的事件，處理完后再進入低功耗模式。單片機內(nèi)部除了具備32K位的FlashRom,lK位的數(shù)據(jù)RAM和大量的I/O口外，它還有定時/計數(shù)器模塊、同步串行口SPI模塊等等。在本測量系統(tǒng)中，利用定時器的比較捕獲功能，非常方便的測量渦街信號的頻率。MSP430F447內(nèi)部集成強大的液晶驅(qū)動器，可驅(qū)動160段之多。這為流速和流量的顯示提供了很大的方便，無需再外加液晶驅(qū)動電路，既降低了功耗，又方便了設(shè)計。放大整形電路信號放大整形電路的作用是把電磁傳感器送來的渦街電脈沖信號轉(zhuǎn)換成標準方波脈沖信號。由于傳感器輸出的信號比較微弱，為滿足后續(xù)處理電路的要求，需要較大的放大倍數(shù)，故采用了多級放大電路。對該環(huán)節(jié)的運算放大器和比較器的選取都要非常講究，因為要滿足低功耗要求，且各個性能指標（帶寬、共模抑制比、失調(diào)電流電壓）均需滿足放大電路要求。放大電路所用的運算放大器選用了TI公司生產(chǎn)的MAX479,它是單電源低電壓、超低功耗運算放大器，具有標準管腳配置，非常適合于低功耗應(yīng)用場合。整形電路通過比較器來產(chǎn)生規(guī)則的方波信號。在整形電路中，比較器選用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX919，它屬于超低功耗比較器。EEPROM掉電存儲模塊和通信模塊流量儀表有一些需要長期保存的參數(shù)，這些參數(shù)有的是設(shè)計系統(tǒng)時寫入的；有的是由操作者在現(xiàn)場設(shè)定的，如多段非線性補償端點值、上下限報警值；有些參數(shù)很重要，要求即使掉電也不能丟失，如累積流量值。能夠靈活而又可靠地處理這些參數(shù)是現(xiàn)代智能儀表的基本要求，而這些功能通常是由EEPROM存儲器來完成的0MSP430F447內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)EEPROM，因此需要外接EEPROM芯片。在本測量系統(tǒng)中，存儲芯片選用了ATMEL公司生產(chǎn)的24WC02。它是低電壓，串行I2C總線形式的EEPROMo流量儀表的實時流速、累計流量等參數(shù)有時需要遠傳?；谕ㄐ判阅芎凸牡目紤]，本系統(tǒng)中選用了485通信。芯片選用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3485,它是低電壓，低功耗的單雙工485通信芯片。EEPROM和MAX3485的電源由微處理器的I/O管腳控制，以方便的進行開關(guān)，達到低功耗要求。軟件系統(tǒng)設(shè)計由于匯編語言程序的可讀性和可移植性都較差，采用匯編語言編寫單片機應(yīng)用系統(tǒng)，不但周期長，而且調(diào)試和排錯也比較困難。為了提高編制單片機應(yīng)用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，這里采用C語言。C語言既具有一般高級語言的特點，又能直接對計算機的硬件進行操作，表達和運算能力也較強。從結(jié)構(gòu)上看，本測量系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)初始化程序、C/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，各子任務(wù)程序模塊，捕獲比較中斷服務(wù)子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序等中斷驅(qū)動程序和其它輔助程序組成。處理器工作模式MSP430F447有多種低功耗的工作模式，如果在任務(wù)調(diào)度的空閑時間，使CPU進入一種合適的低功耗模式，就能大幅度降低系統(tǒng)功耗。用戶可以利用mC/OS-II中空閑任務(wù)的擴展接口，使系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下進入某種低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗；同時利用RTI信號作為時鐘節(jié)拍，周期性地喚醒:PU。CPU被喚醒之后，將執(zhí)行節(jié)拍中斷服務(wù)程序，重新判斷是否有任務(wù)處于就緒態(tài)。如果有，就執(zhí)行該任務(wù)；如果沒有，則重復(fù)上面的過程。根據(jù)系統(tǒng)需要，本測量系統(tǒng)中選用LPM3低功耗模式。處于LPM3模式時處理器內(nèi)部狀態(tài)如下：CPU處于禁止狀態(tài)，DCO被禁止，直流發(fā)生器被禁止，MCLK被禁止，SMCLK被禁止，ACLK

仍保持活動。此時的電流消耗很低，即使液晶模塊工作，在3V供電電壓下ICC〈=8yA。低功耗對實時性的影響毫無疑問，使CPU進入低功耗模式會減弱系統(tǒng)的實時性。這種減弱來自于兩個方面，一是使中斷響應(yīng)時間變長；二是使響應(yīng)的時間變得不易預(yù)測。但MSP430獨到的技術(shù)使得這一問題迎刃而解。MSP430F447在進入低功耗模式LPM3后，ACLK仍保持工作，以驅(qū)動系統(tǒng)的實時時鐘。任何中斷都可以在6陰內(nèi)將CPU喚醒，先進的鎖頻環(huán)技術(shù)使高速時鐘在很短的時間內(nèi)就能穩(wěn)定下來，以及時的處理突發(fā)事件。合理的采樣率和快速算法數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計需根據(jù)實際情況，不要只顧提高采樣率，因為模數(shù)轉(zhuǎn)換時功耗較大，過大的采樣速率不僅功耗大，而且為了傳輸處理大量的冗余數(shù)據(jù)，也會額外消耗CPU的時間和功耗。數(shù)字信號處理中的運算，采用FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗；在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也可以減少功耗。現(xiàn)場性能測試結(jié)果5.1低流速下的頻率信號測試現(xiàn)場系統(tǒng)運行于100mm口徑，流體為自來水的情況下。圖5.1為在1.2m3/h流速下信號放大電路的輸出波形，雖然不是很穩(wěn)定，但是已經(jīng)可以讀出頻率信號。圖5.2為在1.5m3/h流速下的輸出波形，圖5.3為在1.8m3/h流速下的輸出波形。隨著流速的增大,波形趨于穩(wěn)定，流速增大到1.8m3/h時，信號已經(jīng)非常穩(wěn)定。圖5.11.2m3/圖5.11.2m3/h頻率信號圖5.21.5m3/h頻率信號■主1簣….汀」■■:■主1簣….汀」■■:,■''7;:A:-....MOUE1TRIGGERiTCOHTRASTSLOPE仆|=圖5.31.8m3/h頻率信號5.2功耗的測試表5.1為系統(tǒng)運行于現(xiàn)場的功耗數(shù)據(jù)記錄。由表可見，在整個量程范圍內(nèi)，電流都在100pA以下，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的低功耗。表5.1現(xiàn)場流速(m3/h)系統(tǒng)消耗電流(yA)1.213~261.816~28318?28820?281525~353045?504048~635050~556058~638075~8312092?98結(jié)束語現(xiàn)場測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于MSP430芯片的電磁渦街水表功耗低，系統(tǒng)消耗電流在量程范圍內(nèi)不出超過100yA。在水表運行于常用流量段時(100mm口徑，60m3/h)，系統(tǒng)總電流為60yA。按此推算，一節(jié)3600mAH的鋰電池理論上可供系統(tǒng)至少使用2年之久。100mm口徑的水表可以測出1.2m3/h的低流速，超過了B級水表的量程范圍；流速1.2m3/h時，累積流量測量精度為1%,遠遠超過B級水表的精度，同時具備了渦街流量計精度高和機械水表低流速測量的優(yōu)點。實踐應(yīng)用表明這種新型的低功耗電磁渦街水表適用范圍廣，測量下限低，可靠、節(jié)能是一種理想自來水流量測量儀表。參考文獻莫德舉，李立平，郭紅曉，電磁法檢測漩渦頻率的渦街流量計，北京化工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版-2001年1期TIINTEGRATEDPRODUCTS,2005MAXIMINTEGRATEDPRODUCTS,2005MS