基于DSP的高精度智能渦輪流量傳感器設(shè)計(jì)

王元委， 齊 娜， 王振廷， 呂 穎， 劉 巖

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

流量測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于能源、水利、農(nóng)業(yè)、管道輸送、交通運(yùn)輸、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航空航天等領(lǐng)域。流量測(cè)量在野外特種車輛中尤為重要，乘員需要對(duì)載具工作狀況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[1～4]。載具工作條件惡劣，要求所使用的流量傳感器不但測(cè)量準(zhǔn)確，且具備體積小、防潮、抗震、工作溫度寬等特點(diǎn)[5]。

目前，流量傳感器類型分為差壓式流量傳感器、容積式流量傳感器、渦街流量傳感器、超聲波流量傳感器和渦輪流量傳感器等[6]。相比于其他類型的流量傳感器，渦輪流量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、量程范圍寬、輸出頻率信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足載具的使用環(huán)境和測(cè)量精度等要求。依據(jù)采用環(huán)境需求及技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)一種基于DSP的高精度智能流量傳感器，該傳感器使用渦輪式結(jié)構(gòu)，采用DSP TMS320F2812作為核心處理器，利用高精度測(cè)頻技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)提高測(cè)量精度，通過CAN總線輸出測(cè)量結(jié)果。該流量傳感器能夠在惡劣的工作條件下，快速、準(zhǔn)確地測(cè)量載具的流量數(shù)據(jù)，是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載具工作狀態(tài)的重要手段。

1 渦輪流量傳感器的工作原理

渦輪流量傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程為

Jdω/dt=Tr-Trm-Trf-Tre

(1)

式中J為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω為渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度,Tr為流體對(duì)葉片的推動(dòng)力矩,Trm為渦輪軸與軸承之間的機(jī)械摩擦阻力矩,Trf為流體對(duì)渦輪的阻力矩,Tre為電磁檢測(cè)器對(duì)渦輪的電磁阻力矩。通常,Tre比較小,其影響可以忽略[7]。在正常工作條件下,渦輪以穩(wěn)定的角速度ω旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流量大于始動(dòng)流量值以后,Trm的影響可以忽略。影響流量傳感器量特性的主要因素為Trf,即

Tre=0,dω/dt=0,Trm=0

(2)

得到穩(wěn)定工況下的運(yùn)動(dòng)微分方程為

Tr-Trf=0

(3)

其中，推動(dòng)力矩Tr為

(4)

式中r為葉片的平均半徑,ρ，qv分別為流體的密度,體積流量,F為傳感器的流通截面積,θ為渦輪葉片與軸線的夾角[8]。

一般流體均處于湍流狀態(tài),則流體流動(dòng)阻力矩Trf為

(5)

式中C為比例常數(shù)。

渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)通常通過流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到，由理論方程計(jì)算不出儀表系數(shù)或計(jì)算的儀表系數(shù)誤差較大。經(jīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得儀表系數(shù)K為

(6)

式中f為脈沖頻率,f=Nω/2π,N為渦輪的葉片數(shù)量。

由式(6)可知，在湍流狀態(tài)下，體積儀表系數(shù)K只與傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量qv以及流體的物理特性參數(shù)(粘度、介質(zhì)密度等)無關(guān)，可近似為一個(gè)常數(shù)。

2 渦輪流量傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的總體設(shè)計(jì)

被測(cè)流體通過渦輪流量傳感器時(shí)，通過導(dǎo)流器沖擊渦輪葉片，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使渦輪克服機(jī)械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的葉片不斷切割管壁外的磁電感應(yīng)線圈，使感應(yīng)線圈回路磁阻周期性發(fā)生變化，通過線圈的磁通量也發(fā)生變化，產(chǎn)生與流量大小成正比的脈沖信號(hào)。

渦輪流量傳感器是容積式的流量計(jì)量裝置，流體密度隨溫度變化的特性，導(dǎo)致通過渦輪流量傳感器在不同溫度下測(cè)量相同流量的流體時(shí)，產(chǎn)生流量測(cè)量誤差，故需通過溫度傳感器，結(jié)合流量補(bǔ)償算法修正上述誤差。野外特種車輛用智能渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)

渦輪葉片切割磁電感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)十分微弱，在流量信號(hào)處理電路中，經(jīng)過信號(hào)放大及比較器比較后，產(chǎn)生幅值約為3 V的方波信號(hào)，送入DSP進(jìn)行頻率信號(hào)采集。溫度信號(hào)處理電路用于測(cè)量導(dǎo)流器中流體的溫度數(shù)據(jù)。溫度測(cè)量采用惠斯通電阻橋的方式，鉑電阻器Pt 1000溫度探頭經(jīng)導(dǎo)流器的開口，置于被測(cè)流體中。鉑電阻器的阻值因溫度而改變時(shí)，在電橋的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。通過放大器放大后，送入DSP進(jìn)行AD采集。

DSP采集流量信號(hào)處理電路發(fā)送的方波信號(hào)并采集流體的溫度數(shù)據(jù)，利用單位時(shí)間內(nèi)方波的數(shù)量計(jì)算通過導(dǎo)流器的流體流量，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行流量補(bǔ)償，再通過CAN總線收發(fā)器以10Hz的頻率與野外特種車輛通信。為避免方波的幅值超出DSP GPIO的承受范圍，使用反向施密特觸發(fā)器對(duì)方波進(jìn)行整流，同時(shí)使信號(hào)更加規(guī)范。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

DSP程序主要由主程序、脈沖頻率采集程序、溫度采集程序、CAN總線通信程序和流體流量補(bǔ)償算法等幾部分組成。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖2所示。在主程序中，完成DSP外設(shè)的初始化以及中斷初始化等工作后，當(dāng)溫度采集標(biāo)志位和脈沖頻率采集標(biāo)志位全部有效時(shí)，程序調(diào)用流量補(bǔ)償程序，并將補(bǔ)償后的流量數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線輸出。

圖2 主程序流程

2.2.2 脈沖頻率采集設(shè)計(jì)

利用事件管理器中的通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的采集。經(jīng)施密特觸發(fā)器整形為方波的脈沖頻率信號(hào)，作為通用定時(shí)器2的外部時(shí)鐘源，送入DSP中。通用定時(shí)器1定時(shí)周期設(shè)置為1 Hz，在通用定時(shí)器1的中斷服務(wù)函數(shù)中，讀取觸發(fā)2次中斷之間，通用定時(shí)器2外部時(shí)鐘源的方波數(shù)量，從而獲得感應(yīng)線產(chǎn)生的脈沖頻率。

2.2.3 溫度采集設(shè)計(jì)

溫度信號(hào)處理電路測(cè)量的溫度范圍為-50～130 ℃，精度為0.5 ℃，輸出的電壓范圍為0.1～3 V。ADC設(shè)置為并發(fā)采樣方式，利用SEQ1序列發(fā)生器中ADCINA0作為采集通道，DSP內(nèi)部集成12位ADC，采樣精度較低，利用ADC采集的數(shù)據(jù)直接計(jì)算流體溫度誤差較大，故采用查表法計(jì)算流體溫度。

2.2.4 CAN總線通信設(shè)計(jì)

TMS320F2812集成增強(qiáng)型CAN控制器，傳感器不必外加CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN總線底層協(xié)議。使用SN65HVD230Q作為CAN總線收發(fā)器，可增大通信距離，提高瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾(radio frequency interference,RFI)，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

2.3 高精度測(cè)頻技術(shù)

為了保證頻率采集精度，結(jié)合測(cè)頻法和測(cè)周法的特點(diǎn)，采用“中界頻率”算法進(jìn)行流量頻率采集，通過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，找出一個(gè)“中界頻率點(diǎn)f0”，f0以下采用測(cè)周法，f0以上采用測(cè)頻法，可以有效提高頻率測(cè)量精度，同時(shí)硬件上采用數(shù)字處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，并利用150 MHz頻率采集信息，優(yōu)化后的測(cè)頻算法不但具備采集測(cè)量的實(shí)時(shí)性，在很大程度上提高了測(cè)量精度，其精度可達(dá)0.005 %，解決了現(xiàn)有技術(shù)中渦輪流量信號(hào)測(cè)量的實(shí)時(shí)性與精確性之間的矛盾。

2.4 流體流量補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

依據(jù)需求，該流量傳感器的工作溫度為-20～120 ℃，輸出精度為0.5 %。最常用的補(bǔ)償方法在全溫度區(qū)間、全流量區(qū)間內(nèi)，實(shí)液標(biāo)定渦輪流量傳感器輸出結(jié)果，對(duì)該結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差值進(jìn)行補(bǔ)償。該方法具有補(bǔ)償精度高，但操作繁瑣，且設(shè)備復(fù)雜，不易實(shí)際操作[9]。

受流體溫度的影響，傳感器內(nèi)部尺寸發(fā)生變化。對(duì)渦輪流量傳感器的儀表系數(shù)產(chǎn)生影響。其修正系數(shù)為

(7)

式中α為傳感器導(dǎo)流器材料膨脹系數(shù),β為傳感器內(nèi)渦輪材料膨脹系數(shù),Δt為工作溫度與標(biāo)定溫度之差。工作溫度t℃時(shí)的體積儀表系數(shù)為

Kt=K0K1

(8)

式中K0為標(biāo)定溫度時(shí)的體積儀表系數(shù)。

流體密度與溫度的關(guān)系式為

ρt=ρt0-γ(t-t0)

(9)

式中ρt為溫度為t℃時(shí)的流體密度,ρt0為標(biāo)定溫度時(shí)的流體密度,γ為流體密度溫度系數(shù),t為流體的實(shí)際溫度。

一定質(zhì)量的流體,其密度隨著溫度的變化發(fā)生變化,體積也將隨之改變。僅測(cè)量體積流量必然引入較大誤差,使用質(zhì)量流量測(cè)量將更為合理。定義渦輪流量傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)為

(10)

式中qm為流體的質(zhì)量流量。質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的絕對(duì)變化量為

ΔKm=Km,t-Km,t0

(11)

式中 ΔKm為質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的絕對(duì)變化量,Km,t為溫度為t℃時(shí),傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù),Km,t0為標(biāo)定溫度時(shí),傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)。

將式(9)、式(10)代入式(11)并整理得

(12)

由式(12)可知，在已被測(cè)知流體各個(gè)溫度下密度的情況下，可通過當(dāng)前溫度下密度液體的密度與標(biāo)定溫度下的密度關(guān)系，修正因溫度變化引起流體的流量誤差。

通過式(8)和式(12)，可得

(13)

即

(14)

式中Kv,t為修正后的體積儀表系數(shù)，A為比例系數(shù)。通過式(14)可補(bǔ)償因溫度引起的渦輪流量傳感器的精度誤差。

(15)

式中Kmax為流量范圍內(nèi)最大流量時(shí)的儀表系數(shù)，Kmin為流量范圍內(nèi)最小流量時(shí)的儀表系數(shù)。

在渦輪流量傳感器的使用范圍內(nèi)，將標(biāo)定溫度下的特性曲線劃分為若干部分，依據(jù)感應(yīng)線圈產(chǎn)生的脈沖頻率的不同，分別選取相應(yīng)分段內(nèi)的K值，代入式(14)，達(dá)到減小輸出誤差的目的。由特性曲線可知，在可測(cè)流量范圍內(nèi)，曲線分為線性區(qū)和最小流量非線性區(qū)兩部分。由于最小流量非線性區(qū)變化較大，故在該部分的分段密些，線性區(qū)的分段疏些。在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高程序的處理速度。

3 系統(tǒng)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

3.1 流量轉(zhuǎn)換電路

流量輸出頻率信號(hào)在進(jìn)入處理器采集前，通過施密特觸發(fā)器將矩形頻率信號(hào)峰峰值限制在3.3VDC以內(nèi)，以便保護(hù)處理器I/O口不被燒毀。

3.2 數(shù)字處理電路

處理器采集到流量信號(hào)后，通過溫度采集數(shù)據(jù)和流量標(biāo)定數(shù)據(jù)，進(jìn)行流量?jī)x表系數(shù)的線性修正，補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過CAN總線信號(hào)輸出。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在流量標(biāo)定試驗(yàn)裝置中，使用水作為被測(cè)流體。渦輪流量傳感器規(guī)格為DN25，測(cè)試溫度為25 ℃，測(cè)量范圍為3～9 m3/h,導(dǎo)流器材料為不銹鋼，渦輪材料2Gr13。選取3,4,5,6,7,8,9 m3/h共7個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試。測(cè)量精度為

(17)

式中L為流量精度值,Cis為第i點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)流量值,Cit為第i點(diǎn)的實(shí)測(cè)流量值,n為測(cè)試點(diǎn)數(shù)量,YFS為滿量程輸出。

渦輪流量傳感器測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

通過上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，不同溫度及不同流量下，智能渦輪流量傳感器均可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，精度可達(dá)0.3 %，且收斂性較好。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)野外特種車輛的具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)一種基于DSP的智能渦輪流量傳感器。采用渦輪式結(jié)構(gòu)，利用DSP作為核心處理器，使用CAN總線作為輸出方式，并結(jié)合流量補(bǔ)償算法。在不同流量條件下，對(duì)智能渦輪流量傳感器的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明:傳感器的測(cè)量精度較高，其測(cè)量精度為0.312 %。且具有體積小、可靠性高，工作溫度寬等特點(diǎn)，滿足野外特種車輛的使用需求。