淺析基于DSP的數字式科氏質(zhì)量流量變送器的設計

引言

科里奧利質(zhì)量流量計(簡(jiǎn)稱(chēng)科氏流量計)可以直接測量流體的質(zhì)量流量，同時(shí)還可測體積流量、密度、溫度，測量精度高，可測量流體范圍廣，具有廣闊的應用前景。

目前，國內科氏流量計大都采用基于模擬電路的信號處理方式，驅動(dòng)電路亦是采用純模擬電路實(shí)現。傳統模擬信號處理方法易受噪聲干擾，小流量測量精度低，限制了量程比;對于復雜流體(如兩相流、批料流)場(chǎng)合，模擬驅動(dòng)無(wú)法維持流量管振動(dòng)，導致無(wú)法測量。

如何提高變送器的抗干擾能力、提高小流量的測量精度，以及如何改善變送器的驅動(dòng)性能，在兩相流下維持流量管振動(dòng)，是目前國內科氏流量計發(fā)展所需迫切解決的難題。為此，我們研制了基于DSP的數字式科氏質(zhì)量流量變送器，將數字信號處理方法和數字驅動(dòng)方法相結合應用于科氏流量計，提高科氏變送器的流量測量精度，改善了變送器的驅動(dòng)性能[1]。

系統硬件方案

系統硬件由信號調理電路、ADC、DSP及外擴存儲器、驅動(dòng)電路、溫度補償電路、LCD顯示、鍵盤(pán)、SCI、4～20mA電流輸出、脈沖輸出等模塊組成[3] ，如圖1所示。

信號調理與采集

科氏變送器通過(guò)測量?jì)陕沸盘柕臅r(shí)間差來(lái)計算流量，并且兩路信號時(shí)間差非常小，因此，設計出兩路結構對稱(chēng)、性能穩定、溫漂小的高精度信號調理采集電路，是保證測量精度的前提條件。

DSP芯片

采用TI C2000系列高端浮點(diǎn)DSP TMS320F28335，主頻150MHz，帶浮點(diǎn)核，片上外設資源豐富，集成了eCAN、SCI、SPI、McBSP、ePWM、I2C、ADC等。DSP負責系統全局控制和運算，主要包括：(1)采集兩路傳感器信號，計算信號頻率和相位差，進(jìn)而計算質(zhì)量流量;(2)檢測流體溫度，進(jìn)行溫度補償;(3)控制驅動(dòng)電路，提供正確的驅動(dòng)信號維持流量管振動(dòng);(4)將測量值在LCD上實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)SCI向上位機上傳，最后以4～20mA模擬量和脈沖的形式輸出流量值。

存儲器擴展

為滿(mǎn)足大量數據存儲及掉電時(shí)需保存各儀表參數的需求，系統外擴了一片128 kB SARAM和512 B 的鐵電M(FM)存儲器。

驅動(dòng)模塊

科氏流量計的測量是建立在振動(dòng)基礎上的，對振動(dòng)的控制在科氏流量計中處于重要地位，是產(chǎn)生精確測量數據的基礎。傳統模擬驅動(dòng)方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現，硬件電路不需要DSP進(jìn)行控制，但啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、不能適用于兩相流/批量流的實(shí)際應用場(chǎng)合等。數字驅動(dòng)方法中，DSP實(shí)時(shí)跟蹤傳感器信號變化，并采用先進(jìn)的算法對驅動(dòng)信號進(jìn)行靈活控制，大大改善驅動(dòng)系統的動(dòng)態(tài)性能。

溫度補償電路

傳感器流量管表面貼有溫度電阻Pt100，以恒定的微小電流流過(guò)Pt100，將Pt100的電阻信號轉換為電壓信號，由ADC采樣轉換為數字量送入DSP。