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DSP声呐流量计



摘要:基于DSP芯片TMS320F28335设计实现了一种声呐流量计, 其具有精度高•●、适应性好•●、操作方便和成本低廉等特点。整个系统以稳定•●、实用•●、可靠为设计目标。在保证实现基本功能的基础上, 充分优化硬件电路和软件架构。本系统充分利用了DSP的高速处理信号的特性, 在提高测量精度的同时, 还简化了硬件电路设计, 从而降低了系统的生产成本。

0•●、引言:

  流量是工业生产过程中的重要参数, 流量测量数据是企业进行生产自动化控制•●、进行经济核算的重要依据。随着工业检测领域对流量检测仪表的性能要求越来越高, 现有的常规流量计, 如基于差压式•●、容积式•●、涡街式•●、电磁式•●、超声时差法和多普勒频移法原理的流量仪表, 由于在不同程度上受限于流体的物理性质•●、流体流动的特性•●、安装工艺条件•●、维护需求及经济性等原因, 不能完全适用复杂的管道流体应用环境。随着声呐检测技术的发展, 研发高可靠性•●、高精确性的声呐在线流量计, 成为市场的迫切需求。声呐流量计采用非接触式测量, 其流量测量准确度几乎不受测量介质的压力•●、浓密度•●、温度等参数的影响, 同时该测量方式可解决其他流量仪表所难以测量的易结垢•●、非导电性•●、强腐蚀•●、易燃易爆及介放射性介质的流量测量问题。

  本文详细介绍了声呐流量计的工作原理和产品设计, 在借鉴吸收国外声呐测量技术的基础上设计了基于TMS320F28335单片机的流量检测仪表。声呐流量计是目前最先进的流量检查技术, 目前国际上只有美国一家公司拥有基于此原理的产品。在产品设计中高度重视系统的稳定性, 在软件设计时, 采用温度补偿•●、傅里叶变换等方法修正测量精度。

1•●、工作原理:

  由模拟计算及实验所测信号可以发现, 单纯从时域的湍流脉动信号难以得到与流速相关的信息。傅里叶变换可以很方便地得到各个通道信号的频域信息, 但是由于空间只有8个传感器得到的8个信号数据, 难以通过二维傅里叶变换同时得到时间和空间的频率信息。通过应用阵列信号处理领域的多重信号分类算法 (Multiple Signal Classfication, MUSIC算法) 破解了该难题, 通过应用该算法对8路阵列信号数据进行数据处理, 得到了波数-频率域的对流脊曲线, 进而得到了对应的流速。详细介绍如下。

  根据MUSIC算法基本原理, 信号协方差矩阵为:

  将Rxx进行特征值分解, 得Rxx=[U]∑[U]H, 其中矩阵∑为特征值对角阵, 矩阵[U]为特征向量矩阵, 包括信号特征向量矩阵[Us]和噪声特征向量矩阵[UN]。故有空间谱函

计算公式

 

  计算空间谱随波数k的变化情况, 对所选频率范围内进行相同的算法处理, 可以得到对应不同频率的PMUSIC的值。湍流脉动的能量是对应特定空间波数和时间频率的函数。能量的集中区域为一屋脊状结构, 称为对流脊, 它代表了湍流脉动信号的空间和时间频率特征。湍流的脉动流速与管中平均流速大致接近 (大约为平均流速的90%左右, 与流速•●、管径等参数有关) , 该流速与空间频率时间频率之间存在如下关系:

计算公式

 

  由此公式可知, 能量集中的对流脊区域进行识别, 得到其斜率, 即可得到湍流的脉动流速, 经过进一步的校准, 就可以得到管中流速。

2•●、产品设计:

2.1•●、主控系统:

  主控系统分为模拟和数字两个部分:模拟部分包括前置放大电路•●、信号采集电路 (包括对数放大电路•●、滤波电路•●、AD转换电路•●、DA转换电路等) ;数字部分包括TMS320F28335主控系统•●、人机界面•●、继电器输出和控制输出电路等。在硬件设计过程中充分考虑成本和性能两个方面, 力求性能稳定, 结构简单, 功能完善, 存在扩展功能。

2.2•●、传感器前置放大系统:

  根据PVDF压电薄膜的电荷等效模型设计了前置放大电路, 其包括前级信号采集设计•●、滤波器设计以及整体电路设计, 以下做具体说明:

  前级信号采集电路有远大于PVDF薄膜的输入阻抗, 使得PVDF产生的电荷尽可能多地积累在电容上, 有效减少了电荷泄漏, 而输入的电阻很大, 电容的放电时间常数很大, 这样可以提高电路的低频测量能力和信号幅度, 减少负载效应。

  滤波器的幅频特性与阶数有关, 阶数越多特性越好, 同时电路的复杂程度也越高。本设计采用有源巴特沃斯低通滤波器加无源低通滤波器的设计, 使得通带内的增益稳定, 不会出现在截止频率附近的增益隆起现象。

2.3•●、信号处理主控系统:

  信号处理主控系统具有信号调理•●、信号采集•●、信号处理和结果输出等功能。信号调理单元以可变增益放大器组合为核心, 前段设计有抗混叠滤波器;信号采集单元须完成8路音频模拟信号采集。由FPGA控制协同8路传感器信号的同步采集, 实现快速的实时性要求, 因为工艺管道中流体流速很快;信号处理单元采用DSP阵列算法对采集到数据进行处理, 通过专有编制的流量算法模型实现流量结果输出;以太网通信•●、键盘显示控制•●、模拟/数字信号输出 (Modbus/RTU RS-485/232通信) 等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成。

3•●、仪表测试及数据分析:

  声呐流量计采用标准表法确定检测精度, 测量系统主要由水池•●、水泵•●、电磁流量计•●、声呐流量计•●、温度传感器•●、压力传感器•●、阀门及管道等组成, 通过调节水泵和速度调节阀控制流量的大小, 在循环系统中安装的电磁式流量计用于标定声呐流量计。实验要求在1.0m/s~4.0m/s的流速变化范围内进行对比测试。测量范围内每变化0.5m/s选择1个流量标定点, 标准表 (电磁流量计) 与被测表 (声呐流量计) 的累积流量值由水流量控制系统实时记录, 通过对比分析计算得到测量精度。

  水流量控制系统采集多个流速点, 累积后得到流量值, 确定的8个测试流速点分别是:1.0m/s, 1.5m/s, 2.0m/s, 2.5m/s, 3.0m/s, 3.5m/s, 4.0m/s, 4.5m/s, 标定实验要求对各流速点进行往复5次的重复测试实验。流量从1.0m/s~4.5m/s范围内, 声呐流量计的平均误差小于0.13%, 由此可以反映出两种流量计的波动趋势相近, 声呐流量计能够准确反映流量变化情况, 满足工艺现场自动控制要求。

4•●、结语:

  本设计采用TMS320F28335作为系统的主控芯片, 由于它具有高速信号处理能力, 测量的实时性得到了有效的保证。声呐流量计除了具有流量计算功能?橹, 还设计相关的功能?:显示?•●、存储?•●、人机界面?•●、电源?榈。现场应用表明:其安全可靠, 体积小, 操作维护方便, 成本低廉, 具有广阔的应用前景。



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