基于完全参数补偿的智能槽道流量检测系统的研究

摘要

按照智能化、小型化、精度高、防爆性好、通用性强、性价比高的技术要求,本文将电路原理、本安理论、模数通信、流体补偿理论以及先进数值算法相结合,提出了一种基于软硬件联合完全参数补偿的新型智能槽道流量检测系统的设计方案,并对系统各组成部分的软、硬件进行了具体的分析、设计与调试。
　　 该系统由流量计量终端和检测中心两部分组成。流量计量终端即流量计以意法半导体(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列超低功耗微控制器为控制核心,在满足本安特性的前提下,通过相应信号采集、补偿电路采集信号并利用不同流体的流体模型分别进行软件补偿和算法处理后,与上位机进行HART协议的串行信号通信。在整个系统中,首先,首先通过传感器电路、硬件补偿电路、信号隔离电路等对流量积算所需要的差压、绝压、环境温度、介质温度进行采集、调理,再通过模数转换器将模拟信号数字化,在微控制器中,利用流体理论中相关流体的流量积算数学模型,分别对密度、压缩系数、等熵指数等相关参数,进行相应的软件补偿。然后通过HART调制解调器,把相关数据、参数调制成具有较好防爆特性的4～20mA电流信号,通过电流环传送给检测中心,同时,将相关控制指令传递给远端的流量计量终端。另外,本文为了提高系统的普适度,对常用流体分别根据其不同的流体理论模型,采用最小二乘向量机、小波神经网络以及相关插值算法等对相关参数进行了软件补偿。
　　 经过测试,该系统的数据采集终端能够顺利的通过HART调制解调模块与检测中心进行数据和控制信号的传输,对多种常见流体均可兼容测量,其测量精度也可达到较高的精度,实验表明,经过软硬件联合补偿的全参数智能槽道流量检测系统精度有了明显提升,一般可达到5‰～15‰。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 课题的提出

1.2 课题研究的背景

1.2.1 流量计量系统的历史

1.2.2 流量测量和检测系统的发展现状

1.3 课题研究的内容及意义

第二章 系统总体设计

2.1 槽道流量计

2.1.1 流量的概念

2.1.2 槽道流量计原理分析

2.1.3 槽道流量计数学模型的建立

2.2 软硬件联合的完全参数补偿方案

2.2.1 软硬件联合的完全参数补偿方案的依据

2.2.2 基于软硬件联合的完全参数补偿方案

2.3 本章小结

第三章 基于完全参数补偿槽道流量检测系统的硬件实现

3.1 物理信号的采集及补偿模块

3.1.1 差压信号的采集及硬件补偿

3.1.2 介质温度信号的采集及硬件补偿

3.1.3 绝压信号的采集及硬件补偿

3.1.4 环境温度信号的采集及硬件补偿

3.2 微控制器及其外围电路

3.2.1 微控制器的选型

3.2.2 模拟信号到数字信号的实现

3.3 系统电源模块及4-20mA电流环模块

3.3.1 AD421介绍与功能分析

3.3.2 AD421工作原理

3.3.3 AD421电流环模拟输出

3.3.4 数字信号传输在电流环上的实现

3.3.5 系统电源供电

3.4 HART信号的调制解调模块

3.4.1 HART信号介绍与HT20C15功能分析

3.4.2 HT20C15硬件接口电路

3.5 实时时钟模块

3.5.1 DS1302介绍与功能分析

3.5.2 实时时钟功能的实现

3.6 数据存储模块

3.6.1 M25P80介绍与功能分析

3.6.2 M25P80硬件接口电路

3.7 干扰分析及抗干扰模块设计

3.7.1 干扰与噪声成因

3.7.2 抗干扰的措施

3.8 本安分析及硬件本安特性设计

3.9 本章小结

第四章 槽道流量检测系统的软件补偿及界面设计

4.1 共性参数的软件补偿

4.1.1 基于小波神经网络的绝压软件补偿

4.1.2 基于最小二乘支持向量机的差压信号软件补偿

4.2 差异参数的软件补偿

4.2.1 物性参数软件补偿的理论模型

4.2.2 物性参数软件补偿的算法

4.3 软件开发环境

4.3.1 MCU软件开发环境

4.3.2 流量检测系统上位机软件开发环境

4.4 软件界面的开发设计

4.5 本章小结

第五章 系统实验及结果分析

5.1 测试平台构建

5.2 测试结果分析

5.2.1 物性参数的标定

5.2.2 流量计量实验

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 进一步研究的内容

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录