淺析基于DSP的數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器的設(shè)計(jì)

引言

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

目前，國(guó)內(nèi)科氏流量計(jì)大都采用基于模擬電路的信號(hào)處理方式，驅(qū)動(dòng)電路亦是采用純模擬電路實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理方法易受噪聲干擾，小流量測(cè)量精度低，限制了量程比;對(duì)于復(fù)雜流體(如兩相流、批料流)場(chǎng)合，模擬驅(qū)動(dòng)無(wú)法維持流量管振動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。

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

系統(tǒng)硬件方案

系統(tǒng)硬件由信號(hào)調(diào)理電路、ADC、DSP及外擴(kuò)存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)電路、溫度補(bǔ)償電路、LCD顯示、鍵盤、SCI、4～20mA電流輸出、脈沖輸出等模塊組成[3] ，如圖1所示。

信號(hào)調(diào)理與采集

科氏變送器通過測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算流量，并且兩路信號(hào)時(shí)間差非常小，因此，設(shè)計(jì)出兩路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、性能穩(wěn)定、溫漂小的高精度信號(hào)調(diào)理采集電路，是保證測(cè)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(shè)資源豐富，集成了eCAN、SCI、SPI、McBSP、ePWM、I2C、ADC等。DSP負(fù)責(zé)系統(tǒng)全局控制和運(yùn)算，主要包括：(1)采集兩路傳感器信號(hào)，計(jì)算信號(hào)頻率和相位差，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量;(2)檢測(cè)流體溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償;(3)控制驅(qū)動(dòng)電路，提供正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)維持流量管振動(dòng);(4)將測(cè)量值在LCD上實(shí)時(shí)顯示，并通過SCI向上位機(jī)上傳，最后以4～20mA模擬量和脈沖的形式輸出流量值。

存儲(chǔ)器擴(kuò)展

為滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及掉電時(shí)需保存各儀表參數(shù)的需求，系統(tǒng)外擴(kuò)了一片128 kB SARAM和512 B 的鐵電M(FM)存儲(chǔ)器。

驅(qū)動(dòng)模塊

科氏流量計(jì)的測(cè)量是建立在振動(dòng)基礎(chǔ)上的，對(duì)振動(dòng)的控制在科氏流量計(jì)中處于重要地位，是產(chǎn)生精確測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)模擬驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，硬件電路不需要DSP進(jìn)行控制，但啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、不能適用于兩相流/批量流的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合等。數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法中，DSP實(shí)時(shí)跟蹤傳感器信號(hào)變化，并采用先進(jìn)的算法對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行靈活控制，大大改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

溫度補(bǔ)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Pt100，將Pt100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入DSP。