流量檢測裝置設計說明書1、 裝置需求：1. 100點流量差壓信號的采集。用鍵盤輸入流量系數，輸入時可顯示；2. 范圍0-1000l/min,采集周期0.5s,信號4-20mA，分辨力0.1%；3. 要求運用數字濾波（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和切換顯示內容（瞬時/累計流量）。 2、 設計說明書要求：1. 系統構成框圖及構成說明，包括主要部件的選型及依據；2. DSP與A/D轉換芯片連接的電原理圖；3. 程序框圖，包括主要流程；4. 采集、數字濾波、流量計算程序清單。3、 差壓式流量計基本理論 1.節流裝置工作原理 差壓式流量計是根據伯努力方程和流體連續性原理用差壓法測量流量的，其節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1，橫截面積是A1；在橫截面L處：流體的平均流速是v2，密度是2，橫截面積是A2。圖1 差壓流量計工作原理圖 根據流體流動連續性原理有如下關系式： v1A11=v2A22 （1） 如果流體是液體，可認為在收縮前、后其密度不變：12 （2） 根據瞬時流量的定義，即單位時間內流體流經管道或明渠某橫截面的數量，所以液體的體積瞬時流量： （3） 根據伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1Z2，則有如下關系式： （4） 應用伯努利方程和流動連續性原理，在兩個橫截面上壓力差則有如下關系式： （5） 將（3）代入（5）式，并整理，則得： （6） 由于， ， 定義直徑比， 其中d為工作狀況下節流件的等效開孔直徑，D為管道直徑，則得到： （7） 這樣可推導出以下的理論流量公式： （8） 又由于流量系數C的定義是：C= 實際流量/理論流量，可得出節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： （9） 其中，為被測介質的可膨脹性系數：對于液體=1； 對氣體、蒸氣等可壓縮流體1 。 根據累計流量的定義，即在某一段時間內流過某橫截面流體的總量，所以液體的體積累計流量為： （10） 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行流量測量時，其流量與差壓呈非線性關系，即差壓信號與流量之間存在一個開方關系。為了線性的表達流量，需要對測量系統總的流量信號進行一次開放運算，具體如下： （11）即：應用實例：求測量范圍為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=mA4、 差壓式流量計硬件設計 差壓式流量計整體設計框圖如圖2所示， 首先安裝在管道中的多個節流裝置檢測出流體差壓，送入差壓變送器轉換為相應電流（4-20mA）；然后DSP控制多路模擬開關選擇輸出一路電流到放大器，使其轉化為相應電壓（0-5V）；最后信號由A/D采樣后導入到DSP（同時選通第二路電流信號），對多路數據進行處理并顯示。圖2 差壓式流量計整體設計框圖1. 節流裝置的選型根據裝置需求 100點流量差壓信號的采集，范圍0-1000l/min，本設計選用MPA（Multi-Point Averaging Flow meter）流量計(多點測量平均流速流量計)。每個MPA流量計有24點流量信號的采集，相比其他只能2點流量信號采集結構的流量計而言，精度高；同時流量范圍1-15000（m3/h）遠超過設計指標要求。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及流量顯示積算儀就可以得到準確的流量測量。（1）與一般的速度式流量計的區別 ：例如：皮托管流量計測量的是某個點的流速；均速管流量計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（測量點是嚴格按切比雪夫積分法選取在管道橫截面上）的流體流速并最終得到準確的管道平均流速測量，因此它具有良好的流量測量準確度；（2）與一般節流式差壓流量計的區別：與節流式孔板流量計、v型內錐式流量計等相比。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，是一種節能式流量測量儀表；由于測量是通過管道截面多點平均流速的測量來實現的，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措施可抑制測量噪聲，提高信號測量的準確性，測量范圍度一般可達到1：12或更大。MPA流量計的結構如圖3所示。圖3 MPA流量計的結構圖用MPA流量計測量流量的關鍵是如何確定特征點（即流速測量點的分布）。目前比較常用的有等環面法、切比雪夫積分法和對數線性法。等環面法將半徑為R的圓管分成n個面積相等的同心圓環（最中間的為圓）。在每一個圓環的等面積處設置測量點，即特征點位置。半徑方向上n個測量點的位置為r1、r2、r3、rn，。切比雪夫積分法是利用切比雪夫插值點ti求函數在區間1到1的積分的一種近似算法。經過變換，可以求得管內半徑方向的測點位置。對數線性法選擇特征點的原則是把各環面上的平均速度看作是該環面上各特征點所測得的速度的算術平均值。而整個截面上的平均速度就等于各環面平均速度的算術平均值。MPA流量計是嚴格按照切比雪夫法選取分布在管道上的流速測量點的，其分布圖如圖4如下： 圖4 流速測量點分布示意圖MPA流量計為低壓差設計，因此測量氣體時一般不必考慮氣體膨脹系數的影響。只有在低壓系統中使用（例如常壓系統氣體流量測量），差壓值與系統壓力比（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。其參數指標如下：2. 差壓變送器的選型 根據裝置需求輸出電流4-20mA，另外考慮到測量范圍、精度等級及工作溫度等多種因素，本設計選擇ZL1151電容式差壓變送器。ZL1151輸出電流4-20（mA）,測量范圍0-40000（KPa），精度等級0.05%，工作溫度-40-140攝氏度，優于裝置需求。ZL1151電容式差壓變送器結構圖如圖5所示。圖5 差壓變送器結構圖 產品特點：超級的測量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測量；精度高：數字精度+（-）0.05%；模擬精度+（-）0.5%+（-）0.1%F.S；量程、零點外部連續可調，量程比100：1；正遷移可達500%、負遷移可達600%；穩定性能好，穩定性：0.25% 60個月；耐過壓；固體傳感器設計；全系列統一結構、互換性強；接觸介質的膜片材料可選；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；過程連接與其它產品兼容，實現最佳測量；采用16位計算機的智能變送器；標準4-20mA，帶有基于HART協議的數字信號，遠程操控；支持向現場總線與基于現場控制的技術的升級； ZL1151電容式差壓變送器關鍵技術指標如下：3. 多路模擬開關的選型 考慮到100點差壓信號的采集需要100路模擬開關控制，因此本設計選用13片AD7501芯片，通過DSP發出控制信號選擇某一路差壓信號輸入。其邏輯結構及引腳如圖6所示，3個地址線A1、A2、A3，1個使能端EN，8路輸入S1、S2-S8，1路輸出Out。圖6 AD7501邏輯結構及引腳圖AD7501性能指標如下：CMOS工藝制造；單8路1模擬多路轉換器；16引腳DIP封裝；電源：+/-15V；功耗：300uW；開關接通電阻：170歐；開關接通、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，且幅值較小達不到ADC需要的采樣幅值，所以信號首先要經過放大器的放大處理，轉化為0-5V的電壓信號，如圖7所示，發射信號經一對二極管IN4007的幅值保護后由同相放大器LF357與反相放大器LM318完成信號的放大處理。 圖7 放大電路5. A/D轉換器的選型 根據裝置需求分辨力0.1%，（分辨力是指儀表能顯示的最小數字（零除外）與最大數字的百分比），以及采集周期0.5s，所以本設計選用美國AD公司新近推出的一種性能優越、由BMIOS工藝制成的12位模數轉換芯片ADl674。本芯片采用12位逐次比較方式工作，除了具有較高分辨力0. 05%外，采樣頻率高達100 kHz,即轉換速率達10s，片內還集成有高精度的基準電壓源與時鐘電路，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轉換，使用非常方便。 AD1674 的基本特點和參數如下：帶有內部采樣保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/數轉換器；采樣頻率為100kHz；轉換時間為10s；具有1/2LSB 的積分非線性（INL）以及12 位無漏碼的差分非線性（DNL）；滿量程校準誤差為0.125%；內有+10V 基準電源，也可使用外部基準源；四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為5V，10V，0V10V 和0V20V；數據可并行輸出，采用8/12 位可選微處理器總線接口； ADl674的內部結構及引腳排列如圖8所示。各引腳的符號、類型及意義請參考有關資料手冊。圖8 ADl674的內部結構及引腳排列6. DSP芯片的選型根據裝置需求對100點差壓數據采集，周期0.5秒，數據量較大，對速度有較高要求，同時對精度上要求10位以上，所以本設計選用TMS320C5402定點dsp處理器。TMS320VC5402是C54x系列的杰出代表,是一款性價比極高的定點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的數據存儲空間、64K bytes的I/O空間),功耗低，價格便宜的特點。C54x采用多總線技術,具有一條程序總線、3條數據總線和4條地址總線,可同時進行程序指令和數據的存取,具有高度的并行性。C54x采用模塊化的設計,使派生器件得到了快速的發展,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。TMS320C5402基本特點：運算速度快，指令周期為10ns；192K bytes的存儲空間(64K bytes的程序存儲空間、64K bytes的數據存儲空間、64K bytes的I/O空間)；優化的CPU結構。1個40位的算術邏輯單元、2個40位的累加器、2個40位的加法器、1個1717乘法器和40位的桶型移位器，有4條內部總線和2個地址產生器； 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，除標準的串行口和時分復用串行口外，還含有自動緩存串行口（2k buffer)和外部處理器并行口HPI。 TMS320C5402的結構如圖9所示。各引腳的符號、類型及意義請參考有關資料手冊。圖9 TMS320C5402的結構圖7. DSP與A/D轉換芯片的接口設計 ADl674有2種工作方式：獨立工作方式和完全受控方式。獨立工作方式不需使用全部控制信號,具有專用輸入端口，啟動轉換要比完全受控方式精確；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格，因此設計要復雜些.考慮到本系統有多個尋址電路，故采用完全受控方式。完全受控方式下ADl674啟動和讀數時序如圖10所示。圖10 ADl674啟動和讀數時序圖 當要啟動AD轉換時，只需向ADC寫一任意數據即可，此時CE變高，而CS變低，R /C=0，AD1674啟動轉換。轉換結束后STS發出中斷請求信號，在中斷服務程序中讀轉換結果，此時，CE變高，同時R /C=1，而CS為低，DSP通過數據線從總線驅芯片74ACT16245讀取AD1674轉換數據。從完全受控方式的工作時序圖可以看出，無論是進行AD轉換還是進行讀取數據，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TMS320C5402的接口電路圖如圖11所示。圖11 AD1674與TMS320C5402的接口電路圖5、 差壓式流量計軟件設計 設計思想：（1） 首先向DSP發出輸入流量系數的中斷請求，然后通過矩陣鍵盤輸入流量系數并由LED顯示；（2） DSP向多路模擬開關發出控制命令，使100點差壓信號在1min內，以0.5s的數據采集周期以次順序通過A/D采樣、數字濾波、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據空間待讀出顯示；（3） 向DSP發出某一路瞬時流量/累計流量中斷請求，DSP響應中斷并從數據存儲空間取出流量數據進行顯示。1. 軟件設計流程圖總程序流程圖中斷流程圖數據采集及處理流程圖矩陣鍵盤流程圖LED顯示流程圖2. 程序設計 （1）數據采集void main()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*)CLKMD0x0001);*(volatile u16*)CLKMD=0x9807;*(volatile u16*)PMST=0x00A0;*(volatile u16*)SWWSR=0x7fff;*(volatile u16*)SWCR=0x0001;*(volatile u16*)BSCR=0x8802;*(volatile u16*)IMR=0x0001;void sta