用于微弯型科氏质量流量计的数字变送器研制

第25卷第6期电子测量与仪器学报Vol.25No.6·540·JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTANDINSTRUMENT2011年6月本文于2011年3月收到。*基金项目:国家“863”计划项目(编号:2009AA04Z128)资助项目;合肥工业大学专利转化基金(编号:2008HGCZ0523)资助项目。DOI:10.3724/SP.J.1187.2011.00540用于微弯型科氏质量流量计的数字变送器研制*侯其立1徐科军1,2李叶1朱永强1李苗1方敏1熊文军1刘翠1(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;2.工业自动化安徽省工程技术研究中心,合肥230009)摘要:针对微弯型科里奥利质量流量计固有频率高且相位差小等特点,将带通滤波器和二次Lagrange插值的数字式过零检测方法相结合应用于传感器的信号处理。以TMS320F28335为核心,研制科氏质量流量变送器,实时实现整套算法。给出了变送器系统软、硬件设计方案,并对变送器进行了系统测试和现场标定实验,在40:1量程比范围内,标定精度优于0.1%。测试数据表明,整套算法简单、有效,所研制的变送器具有较高的测量精度。关键词:微弯型科里奥利质量流量计;IIR带通滤波器;过零检测;TMS320F28335中图分类号:TH814文献标识码:A国家标准学科分类代码:470.4017Developmentofdigitaltransmitterformicro-bendtypecoriolismassflowmeterHouQili1XuKejun1,2LiYe1ZhuYongqiang1LiMiao1FangMin1XiongWenjun1LiuCui1(1.SchoolofElectricalandAutomationEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.EngineeringTechnologyResearchCenterofIndustrialAutomation,Hefei230009,China)Abstract:Tosolvetheproblemofmicro-bendtypeCoriolismassflowmeter’shighintrinsicfrequencyandsmallphasedifference,amethodconsistswithIIRband-passfilteranddigitalzero-crossingdetectionusingLagrang’sinterpola-tionisproposedinthispaper.ThewholealgorithmisimplementedinrealtimeonaCoriolismassflowtransmitterdevel-opedwithTMS320F28335chip.Thedesignschemesofhardwareandsoftwarearepresented,systemtestsandwaterflowcalibrationswerealsoperformedwhiletherelativeerrorislowerthan0.1%withrange-ratioupto40:1.Experimentalre-sultsshowthatthisalgorithmiseasyandeffective,andthetransmitterpossesseshighaccuracy.Keywords:Micro-bendtypeCoriolismassflowmeter;IIRband-passfilter;zero-crossingdetection;TMS320F283351引言科里奥利质量流量计(以下简称为科氏质量流量计)是一种基于被测流体在振动测量管内产生与质量流量成正比的科氏力的一种直接式质量流量仪表。目前市场上成熟的科氏质量流量计的流量管多为U形管、S形管、Ω形管、∆形管、B形管等弯曲型形状。这些弯曲型科氏质量流量计的特点是传感器信号频率较低,一般为70~150Hz,且检测管振幅较大,产生的相位差较大,信号处理相对容易。但是,这种形状的流量管易积存气体和残渣,从而引起附加误差,且整机的重量和尺寸大[5]。相比之下,微弯型科氏质量流量计则不易积存残渣,信号频率较高,一般在300Hz以上,便于和一些低频的管道振动、电机干扰等噪声区分;同时,具有较小的体积,受到广大用户的青睐。但是,微弯型科氏质量流量计在信号处理方面存在难点。一方面,传感器信号的频率较高,需要用较高的采样频率采集信号,在采用数字信号处理方法时,如何实现实时处理是关键。国外文献[1-4]的研究对象是B形管(信号频率约80Hz),且变送器系统是基于FPGA实现;而国内学者在研究科氏流量计数字信号处理方法时,也多数是对低频信号做仿真,如文献[10,15]信号仿真频率为103Hz,文献[12]信号仿第6期用于微弯型科氏质量流量计的数字变送器研制·541·真频率为80Hz。文献[9]基于DSP研制了数字式科氏变送器,实时实现算法,并且具有较高的测量精度。但是,这种变送器主要是针对U、Ω型等低频信号流量计:传感器信号频率70~150Hz,AD采样频率2kHz(500µs),DSP指令执行速度150MIPS,算法平均每点运算所需时间450µs(包括预处理、格型算法、DTFT算法以及后续平均)。当用于处理微弯型科氏质量流量传感器信号时,由于微弯管的固有频率较高,为了获得较好的计算精度,就必须提高AD采样频率;为了实时地反映流量的变化,必须在相邻两个数据的采样间隔之间,完成算法的运算任务;而目前的DSP芯片由于资源限制,整套算法已经无法实时完成。若简化目前的算法,减少计算量,势必降低计算精度。另一方面,微弯型科氏质量流量计的相位差更小,以太原太航流量工程有限公司的20mm口径微弯型科氏质量流量计为例,其相位差范围为0.01°~0.5°,更加难以测量。所以,必须提出新的、既满足计算精度要求、又能够在DSP上实时实现的算法,解决微弯型科氏质量流量计输出信号的处理问题。将带通滤波器和基于Lagrange插值的数字式过零检测方法相结合,应用于微弯型科氏质量流量计的信号处理,以TMS320F28335为核心研制了数字式变送器,并进行了电信号测试和水流量标定实验。实验结果表明,算法和研制的变送器是可行的。2信号处理方法为消除噪声的影响,两路传感器信号由AD采样后,先经过一个滤波深度和宽度可调的带通滤波器进行预处理;再采用基于Lagrange插值的过零检测方法处理滤波后的信号,计算信号的频率、相位差。2.1带通滤波器实际工业现场存在多种噪声,如随机噪声、工频干扰、电机和管道振动等引起的某一固定频率干扰,此外,在流体流量大时,流体的冲击力还会引入很大的谐波干扰。这些噪声的频带分布很宽,为此,本文采用了一种具有陷波器结构的IIR带通滤波器对传感器信号进行滤波[11]。滤波器传递函数为:12211122221()1zzHzzzραρραρ−−−−++=++(1)式中:2cosαω=−,ω为陷阱频率,101ρ,20ρ1。将jecosjsinzωωω==+和2cosαω=−代入式(1),可得其在陷阱频率处的增益为:222111222222(1)[(1)4cos]()(1)[(1)4cos]Hzρρρωρρρω−+−=−+−(2)当12ρρ、非常接近于1,而ω不在0、π、2π附近时,式(2)可以简化为:121()1Hzρρ−≈−(3)可见,当12ρρ时,陷阱处为衰减;当12ρρ时,陷阱处为放大。陷阱深度由12ρρ、决定,而受ω影响很小。该带通滤波器通带较窄,而实际中,科氏流量计传感器信号频率基本固定,所以用这种滤波器对科氏传感器信号进行预处理是可行的。2.2过零检测过零检测方法是一种经典的时域分析方法,通过记录信号过零点的时刻,得到过零点间的时间间隔,进而求取信号频率、相位差[12]。由图1可得,信号频率为311/()fRR=−,两路信号时间差为TimeDiff=22()RL−,相位差为360PhaDiffTimeDifff=∗∗。图1过零检测原理图Fig.1Principleofzero-crossingdetection实际运算中,单片机处理的是采样后的离散信号。AD不可能恰好采样到信号的过零点,这就需要对采样数据进行曲线拟合,求出信号过零点,本文采用Lagrange二次插值拟合。为了满足系统的实时性,系统必须在两次采样时间间隔内完成两路数据的滤波、曲线拟和以及过零点、频率和相位差的计算。过零点检测算法的结构如图2所示。·542·电子测量与仪器学报第25卷软件内实时检测滤波后数据,当出现(1)xn−∗()0xn,即表明在[1,]nn−时刻之间存在一个零点,将(2)(1)()xnxnxn−−、、3个点存储到指定的存储单元,为Lagrange插值提供原始数据。由Lagrange计算公式,生成二次插值多项式2xat=+btc+,其中:0.5(2)(1)0.5()axnxnxn=−−−+(4)0.5(2)(1)(1)(2)0.5()(21)bxnnnxnnnxnnn=−−−++−−+−−+−(5)0.5(2)(1)(1)(2)0.5()(2)(1)cxnnnxnnnxnnn=−−−−−+−−(6)因此,通过解方程即可求出0x=时对应的时刻t,即过零点。在实际应用中要舍弃方程中在[1,]nn−之外的那个根。3数字变送器3.1硬件设计以TMS320F28335为核心研制了科氏质量流量变送器。TMS320F28335是TI公司推出的一款新的浮点运算DSP芯片,内部含一个C28x定点CPU和一个32位单精度浮点运算单元FPU,片内有512KB的FLASH和68KB的SARAM,以及McBSP、SPI、DMA、SCI、ePWM等丰富的外设资源,这些性能对算法实现和系统开发提供了非常便利的条件。系统硬件框图如图3所示,主要由模拟驱动、输入调理、外扩存储器、掉电保护、人机接口、测量结果输出等模块组成[6-7]。图2过零检测相位差算法结构Fig.2Blockdiagramofzero-crossingdetection图3硬件结构框图Fig.3Blockdiagramofsystemhardware3.2软件设计系统软件设计采用模块化设计,主要包括初始化、算法、中断、人机接口、测量结果输出、FRAM、看门狗等模块,这些模块由主监控程序统一调用,软件结构框图如图4所示[8-9]。图4软件结构框图Fig.4Blockdiagramofsystemsoftware系统主监控流程图如图5所示。系统上电开始后,主监控程序调用各模块初始化程序,之后开启AD转换采样数据,然后便进入不断调用算法、计算流量的循环中,其中还包括LCD显示、键盘处理、串行通信等子程序。3.3关键技术本文提出的方法原理简单,计算量小,其关键在于如何保证算法实现的实时性和计算的准确性,采取了下面几种有效的措施:1)由于AD以较高的采样频率采样信号,短时间内要求传送大量的数据,一点一点传送显然不能满足实时性要求。为此,利用TMS320F28335的多通道缓冲串口第6期用于微弯型科氏质量流量计的数字变送器研制·543·图5系统软件流程图Fig.5FlowchartofsystemsoftwareMcBSP与AD通讯,运用DMA传输大量数据而不降低CPU的使用效率,并将数据放于外扩SARAM中,克服内存有限的问题;为保证两路AD转换结果被同步读取,初始化时,DSP要先初始化DMA模块,使DMA先做好传递数据准备,再初始化McBSP模块、AD外设,昀后同步启动两路AD。2)过零检测方法在DSP上实现时,会受到DSP运算有效位数有限的影响,所以必须采取相关措施保证算法的实现精度。使用32位的float类型变量在进行插值运算时,由式(4)~(6)得到的系数有效位数少,计算误差大。为此,