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基於TMS320F2812 DSP的數字二氧化碳（tàn）流量計的實現
點擊次（cì）數（shù）：1928 發布時間：2021-01-08 05:44:03
摘要：為降低二氧化碳流量計測量下限，拓展其應用領域，本文基於 TMS320F2812 DSP 為核心的數字二氧化碳流量計，采用頻域分析和時域分析相（xiàng）結合的方式，將二氧化碳流量計流量下（xià）線拓展至 1. 2m3 /h，拓寬了（le）二氧化碳流量計的量程比（bǐ）。
引言
二（èr）氧（yǎng）化碳流量計通過測量旋（xuán）渦發生體兩側交替產生有規律（lǜ）的旋渦的頻率實現流量計量。因（yīn）其在製造、使用和維護方麵較其他（tā）類（lèi）型的流量（liàng）測量儀表有著獨特的（de）優勢，二氧化碳流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領域得到了廣泛的（de）應用。但由於其不適用於低流速流體的（de）測量，二氧（yǎng）化（huà）碳流量計的使用也受到（dào）限製（zhì）。
目前，采用基於模（mó）擬電子技術的信號處理方（fāng）法的二氧化碳流量計被（bèi）廣泛使（shǐ）用，為了解決二氧化碳流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核心（xīn），實現了（le）用於液體測量的數字（zì）二氧化碳流量計。
1 渦街（jiē）信號組成及處理
渦（wō）街信號主要由有用信號和噪聲( 或者幹擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路後，形 成 電（diàn） 壓 信 號。在（zài）信號的放大過程中，有用信（xìn）號和噪聲同時被放大。因此二氧化碳流量計不適用於低（dī）流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路（lù）中就需要增加濾波器環節。目前在二（èr）氧化碳流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的（de） ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式隻在電路（lù）的局部環節應用;
2) 用電阻、電（diàn）容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪聲變化的特點采用數字技術的跟（gēn）蹤濾（lǜ）波器（qì）、自適應濾波器;
4)用頻（pín）譜分（fèn）析的方法對信號、噪聲的（de）頻譜特性進行分析，抑製噪聲，提取有用信號（hào）。
本課題設計的（de）二氧化（huà）碳流量計采用的是以（yǐ）上濾（lǜ）波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 係統實現
本文設計的基於 TMS320F2812 DSP 的數字二氧化碳流量計的信號處理係統由前置（zhì）放大電路和數（shù）字（zì）信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放（fàng）大電（diàn）路即為目前被廣泛應用的普通（tōng）二氧化碳流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電（diàn）路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸（chù）發電路組成; 對於經壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時（shí）域分析相結合的方式，即由前置（zhì）放（fàng）大電路和數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模（mó）塊，對前置放大電路輸（shū）出的方波進行頻率（lǜ）計算，然後再由 DSP 事件管理器通用定（dìng）時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾（lǜ）波電路輸出（chū）的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣（yàng）的結果進行頻譜分析，從（cóng）而得出此時渦街（jiē）信號的頻率，*後由（yóu） DSP 通用定時器的比較輸（shū）出模塊（kuài）進行脈衝輸（shū）出。係統設計方案示意圖如圖 1 所示（shì）。
被測流體在正（zhèng）常流速下，選（xuǎn）擇時域分析通道，即前置放大（dà）電路（lù）對渦街信號進行預處理（lǐ），然後將（jiāng）此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行（háng）脈衝計頻，再通過 DSP 運算處理（lǐ），*後由事件管理器（qì）通用定時器的（de）比較輸出模塊進行脈衝（chōng）輸出。此設計（jì）方案借鑒了傳統模擬二氧化碳流量計的信號處理方法，具（jù）有在正（zhèng）常流量範圍內高信噪比（bǐ）情況下計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低（dī）流（liú）速下，若仍按（àn）上述方式，渦街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸發，從而導致 DSP 計算、輸出頻率（lǜ）不準，甚至無法測量。選（xuǎn）擇頻域分析通道，利（lì）用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾（lǜ）波處理後的正弦信號進行采樣，之後進行快速傅裏（lǐ）葉變（biàn）換和功率譜分（fèn）析（xī）從而得出此時的渦街信號頻率值，*後采用與時域分析通道相同的方式進行脈衝輸出（chū）。頻域分析通道（dào）的設計方案（àn）把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬方（fāng）法（fǎ）很難解決的低信噪比（bǐ）信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的（de）測量下限（xiàn）且（qiě）計量（liàng）準確，具有實際意義。
3 試驗裝置（zhì）
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控製實驗（yàn）室的高精度穩（wěn）壓水流（liú）量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置（zhì）主要由兩個部分組成--稱重係（xì）統和標（biāo）準表( 渦（wō）輪流量計) 係統。本文采用稱重係（xì）統進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改（gǎi）變流體的（de）流向，使水流（liú）入稱量（liàng）容（róng）器或者旁通管路而不改變流量（liàng）。換向器啟動時，觸發（fā）計時控製器，以保證水的重（chóng）量和時間的同步（bù）測量。
稱量容器將其內（nèi）部水排空後，將電子秤示數調零，保（bǎo）證（zhèng）電子秤的示數為流入的（de）水的重量。試驗開始時，換向器置於使水流（liú）入旁通管路的方向，當流（liú）量穩定時，啟動換向器，將（jiāng）水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈衝（chōng）計數器。當到達（dá）預定的水量（liàng）時，設置換向器自動（dòng）換（huàn）向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄（lù）計（jì）時器顯示的時間和被校表脈衝計數（shù）器顯示的脈衝數。由水的總質（zhì）量（liàng）和計量的時間（jiān）便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結合被校（xiào）表脈衝數，實現儀表係（xì）數的（de）標定。
4 試驗數據
將本（běn）文實現的數字二（èr）氧（yǎng）化碳（tàn）流量計在上述 50mm 口 徑( 簡（jiǎn）稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量範圍內進行試驗，流量（liàng）從大到小逐漸降低，之後不斷探求其所能測量的（de）*小（xiǎo）流（liú）量。每個流量點試驗（yàn）三次，計算（suàn）其（qí）重複性、平均儀表係數和（hé）線性（xìng）度。水流量試驗數據如表 1 所示。
本文實現的數字二（èr）氧化碳流量計有效地降低了DN50 液體二氧化碳流量計的測量下限，*低（dī）可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用於液體測量的數字二氧化碳流量計，由試驗數據可知，該數字（zì）二氧化碳流（liú）量計可實現對小流量液體的測量（liàng），拓寬了二氧化碳流量計的量（liàng）程比。
引言
二（èr）氧（yǎng）化碳流量計通過測量旋（xuán）渦發生體兩側交替產生有規律（lǜ）的旋渦的頻率實現流量計量。因（yīn）其在製造、使用和維護方麵較其他（tā）類（lèi）型的流量（liàng）測量儀表有著獨特的（de）優勢，二氧化碳流量計在輕工、化工、電力、冶金、城市公用事業等領域得到了廣泛的（de）應用。但由於其不適用於低流速流體的（de）測量，二氧（yǎng）化（huà）碳流量計的使用也受到（dào）限製（zhì）。
目前，采用基於模（mó）擬電子技術的信號處理方（fāng）法的二氧化碳流量計被（bèi）廣泛使（shǐ）用，為了解決二氧化碳流量計低流速流體的測量問題，本文采用 TMS320F2812 DSP為控製核心（xīn），實現了（le）用於液體測量的數字（zì）二氧化碳流量計。
1 渦街（jiē）信號組成及處理
渦（wō）街信號主要由有用信號和噪聲( 或者幹擾)信號兩部分構成。渦街傳感器輸出的電荷信號，經電荷放大電路和濾波電路後，形 成 電（diàn） 壓 信 號。在（zài）信號的放大過程中，有用信（xìn）號和噪聲同時被放大。因此二氧化碳流量計不適用於低（dī）流速流體的測量。
要從含有各種噪聲成分的信號中提取渦街信號，在信號處理電路（lù）中就需要增加濾波器環節。目前在二（èr）氧化碳流量計的信號處理電路中，采用的濾波器有以下幾種:
1) 用電阻、電容、電感等無源器件組成的（de） ＲC 濾波器、LC 濾波器，這種濾波形式隻在電路（lù）的局部環節應用;
2) 用電阻、電（diàn）容與運算放大器組成有源低通、高通、帶通濾波器;
3) 根據信號、噪聲變化的特點采用數字技術的跟（gēn）蹤濾（lǜ）波器（qì）、自適應濾波器;
4)用頻（pín）譜分（fèn）析的方法對信號、噪聲的（de）頻譜特性進行分析，抑製噪聲，提取有用信號（hào）。
本課題設計的（de）二氧化（huà）碳流量計采用的是以（yǐ）上濾（lǜ）波方式中的 2) 、4) 兩種。
2 係統實現
本文設計的基於 TMS320F2812 DSP 的數字二氧化碳流量計的信號處理係統由前置（zhì）放大電路和數（shù）字（zì）信號處理電路兩部分組成。本文選用的前置放（fàng）大電（diàn）路即為目前被廣泛應用的普通（tōng）二氧化碳流量計的前置放大電路，主要由電荷放大電（diàn）路、低通濾波電路、限幅濾波電路和施密特觸（chù）發電路組成; 對於經壓電傳感器測得的渦街信號采用了頻域分析和時（shí）域分析相結合的方式，即由前置（zhì）放（fàng）大電路和數字信號處理電路相配合。時域分析通道利用 DSP 事件管理器的捕獲模（mó）塊，對前置放大電路輸（shū）出的方波進行頻率（lǜ）計算，然後再由 DSP 事件管理器通用定（dìng）時器的比較輸出模塊進行脈衝輸出。頻域分析通道即 DSP對低通濾（lǜ）波電路輸出（chū）的疊加了許多噪聲的正弦信號進行 A/D 采樣，再利用 DSP 對 A/D 采樣（yàng）的結果進行頻譜分析，從（cóng）而得出此時渦街（jiē）信號的頻率，*後由（yóu） DSP 通用定時器的比較輸（shū）出模塊（kuài）進行脈衝輸（shū）出。係統設計方案示意圖如圖 1 所示（shì）。
被測流體在正（zhèng）常流速下，選（xuǎn）擇時域分析通道，即前置放大（dà）電路（lù）對渦街信號進行預處理（lǐ），然後將（jiāng）此方波信號輸入到 DSP 的事件管理器的捕獲模塊，進行（háng）脈衝計頻，再通過 DSP 運算處理（lǐ），*後由事件管理器（qì）通用定時器的（de）比較輸出模塊進行脈衝（chōng）輸出。此設計（jì）方案借鑒了傳統模擬二氧化碳流量計的信號處理方法，具（jù）有在正（zhèng）常流量範圍內高信噪比（bǐ）情況下計量準確、實時性好的優點。
被測流體在低（dī）流（liú）速下，若仍按（àn）上述方式，渦街信號容易受到嚴重的幹擾，造成整形時的誤觸發，從而導致 DSP 計算、輸出頻率（lǜ）不準，甚至無法測量。選（xuǎn）擇頻域分析通道，利（lì）用 DSP 其 A/D 采樣端口對經電荷放大、低通濾（lǜ）波處理後的正弦信號進行采樣，之後進行快速傅裏（lǐ）葉變（biàn）換和功率譜分（fèn）析（xī）從而得出此時的渦街信號頻率值，*後采用與時域分析通道相同的方式進行脈衝輸出（chū）。頻域分析通道（dào）的設計方案（àn）把數字信號處理的方法應用到實際中，很好地解決了傳統模擬方（fāng）法（fǎ）很難解決的低信噪比（bǐ）信號處理問題，通過實驗證明，可顯著地降低渦街信號的（de）測量下限（xiàn）且（qiě）計量（liàng）準確，具有實際意義。
3 試驗裝置（zhì）
本文的試驗是在天津大學過程檢測和控製實驗（yàn）室的高精度穩（wěn）壓水流（liú）量實驗裝置上進行的，裝置示意圖如圖 2 所示。可以看到試驗裝置（zhì）主要由兩個部分組成--稱重係（xì）統和標（biāo）準表( 渦（wō）輪流量計) 係統。本文采用稱重係（xì）統進行試驗。
在試驗裝置管路出口處裝有換向器，用來改（gǎi）變流體的（de）流向，使水流（liú）入稱量（liàng）容（róng）器或者旁通管路而不改變流量（liàng）。換向器啟動時，觸發（fā）計時控製器，以保證水的重（chóng）量和時間的同步（bù）測量。
稱量容器將其內（nèi）部水排空後，將電子秤示數調零，保（bǎo）證（zhèng）電子秤的示數為流入的（de）水的重量。試驗開始時，換向器置於使水流（liú）入旁通管路的方向，當流（liú）量穩定時，啟動換向器，將（jiāng）水流由旁通管路換入稱量容器。在換向器啟動過程中，同時啟動計時器和被校表的脈衝（chōng）計數器。當到達（dá）預定的水量（liàng）時，設置換向器自動（dòng）換（huàn）向，使水流由稱量容器換向到旁通管路，記錄（lù）計（jì）時器顯示的時間和被校表脈衝計數（shù）器顯示的脈衝數。由水的總質（zhì）量（liàng）和計量的時間（jiān）便可以折算出這段時間平均的標準流量值，再結合被校（xiào）表脈衝數，實現儀表係（xì）數的（de）標定。
4 試驗數據
將本（běn）文實現的數字二（èr）氧（yǎng）化碳（tàn）流量計在上述 50mm 口 徑( 簡（jiǎn）稱 DN50) 的水流量試驗裝置上進行試驗。先在其正常流量範圍內進行試驗，流量（liàng）從大到小逐漸降低，之後不斷探求其所能測量的（de）*小（xiǎo）流（liú）量。每個流量點試驗（yàn）三次，計算（suàn）其（qí）重複性、平均儀表係數和（hé）線性（xìng）度。水流量試驗數據如表 1 所示。
本文實現的數字二（èr）氧化碳流量計有效地降低了DN50 液體二氧化碳流量計的測量下限，*低（dī）可以測量到 3Hz 的渦街信號( 該頻率對應的流量為 1. 2m3 / h) ，量程比拓寬至 54∶1。
5 小結
本文介紹了以 TMS320F2812 DSP 為核心的用於液體測量的數字二氧化碳流量計，由試驗數據可知，該數字（zì）二氧化碳流（liú）量計可實現對小流量液體的測量（liàng），拓寬了二氧化碳流量計的量（liàng）程比。