低功耗智能涡街流量计的研制

摘要

涡街流量计，又称卡门旋涡流量计，具有结构简单、性能可靠、使用寿命长、量程范围宽等优点，因此有着广泛的应用。本文讨论的就是受河北宏业机械股份有限公司仪表研究所委托开发的“低功耗智能涡街流量计”系统。 该系统主要包括涡街传感器信号采集电路和低功耗型转换显示电路两部分。涡街传感器采用压电陶瓷制成，可感应旋涡发生体下游两侧交替发生的涡列的横向推力，产生频率与流速成正比的交变电荷信号。涡街传感器信号采集电路由电荷放大器、交流放大器、二阶低通滤波器和施密特整形电路组成，将交变电荷信号转换成可供单片机采集的脉冲频率信号。针对现有电路测量下限频率时仪表系数线性度差，标称的上限频率难以测到，“掉波”和“增波”现象时有发生的情况，我们做了大量实验，对存在的问题进行定性和定量分析，将电路结构和阻容参数重新调整，新的电路不但在小流量时能准确测量，频率上限也得到大幅提高，而且可以通过拨码开关切换阻容参数使电路能适用于不同口径管道的液体、气体和饱和蒸汽的测量。 转换显示电路以TI超低功耗16位混合信号处理器MSP430F149为控制核心，对前置放大电路输出的涡街频率信号进行精确测量，转换、处理后得到瞬时流量和累积流量，并通过双排LCD直观地显示出来。同时电路集成了温度检测功能，通过温度补偿实现饱和蒸汽的质量流量测量。对于仪表系数的非线性采用五段线性插值方法进行修正，大大提高了仪表测量的精确度。外扩了非易失性铁电存储器作为累积流量的存储介质，通过定时保存和掉电保存两种机制对重要数据进行保护。系统采用双电源供电，并可实现内置电池和外部电源的自动切换。对电池电压实时监测，具有低电报警和掉电保护等功能。重点设计人机交互界面，用户通过键盘可以设置如流体密度、采样时间、流量上限、流量下限、仪表系数、补偿方式等浮点型参数，并具有累积量清除功能。单片机用于涡街流量信号的处理与积算，使本系统朝智能化方向又迈进一步。硬件电路和系统程序均采用低功耗设计理念，充分利用单片机的低功耗模式使CPU尽长时间处于休眠状态，外围芯片均选用低电压、微功率并可由单片机关断的器件，最终系统的整体静态功耗为256μA，动态峰值功耗不超过600μA，一节3.6V/5.4AH锂电池可以保证系统可靠工作2.5年以上。 通过试验，该低功耗智能涡街流量计系统运行可靠，工作稳定，流量测量准确，操作方便，系统数据安全性和抗干扰能力强，达到了厂家要求的技术指标。

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文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1流量计量与仪表

1.1.1流量计量的意义

1.1.2流量计的类型

1.2涡街流量计的概况

1.2.1国内外研究动态

1.2.2涡街流量计的测量原理

1.2.3涡街流量计的特点和适用性

1.2.4涡街流量计的质量流量测量

第二章课题概述

2.1课题来源及主要研究内容

2.1.1课题的来源

2.1.2技改方案

2.1.3本文的研究内容

2.2系统功能结构图

第三章涡街传感器信号采集电路

3.1涡街信号的噪声分布

3.2涡街传感器信号的采集与变换电路设计

3.2.1电荷放大

3.2.2交流放大

3.2.3信号滤波及限幅

3.2.4整形放大输出

3.3试验结果

第四章低功耗型转换显示电路设计

4.1微功耗16位混合信号处理器

4.1.1 MSP430F149的主要特点

4.1.2低功耗模式

4.1.3本系统用到的片内外设

4.2外围电路设计

4.2.1微功率双电源系统

4.2.2微功耗铂热电阻测温电路设计

4.2.3掉电检测与电池电压监测电路

4.2.4扩展铁电存储器接口电路

4.2.5双排LCD显示单元

4.2.6面板与薄膜键盘设计

4.2.7扩展通讯接口

第五章系统软件设计

5.1流量积算与相关算法

5.1.1瞬时流量测量和流量积算

5.1.2流量系数多段非线性补偿

5.1.3利用温度参量自动补偿饱和蒸汽的密度

5.2外设驱动程序设计

5.2.1低功耗液晶模组LCM141驱动程序设计

5.2.2键盘接口程序设计

5.2.3铁电存储器用于流量仪表重要数据掉电保护和定时保存

5.3主程序设计

5.3.1用计时计频方法精确测量涡街信号频率

5.3.2系统主程序及人机交互界面设计

5.4软件抗干扰措施

结论

参考文献

附录

致谢

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