面向特殊需求的涡街流量计关键技术研究

摘要

随着科技和生产的发展，要求涡街流量计能够测量高温流体;低功耗、两线制地实现信号的数字处理，同时具有HART通信功能;能够测量雷诺数在5000～20000范围内的小流量。为此，针对这些特殊需求，研制用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路、数字式两线制HART涡街流量变送器、基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计。
　　采用压电晶体材料制作的耐高温涡街流量传感器可以测量高温流体，但存在灵敏度低、阻抗变大的问题。为此，研制用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路。设计两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路，对耐高温涡街流量传感器输出的幅值较小的信号进行放大和滤波，获得稳定的流量信号;对传感器输出信号线以及信号调理电路进行屏蔽，防止由于阻抗变大导致调理电路输出信号受到较大的电磁干扰，特别是工频干扰的影响。
　　引入HART通信增加了数字式两线制涡街流量计的功耗，且通信稳定性容易受电源波动的影响。为此，研制数字式两线制HART涡街流量变送器。采用稳压管与隔离型DC/DC相结合的电源设计，保证了HART通信的稳定工作;采用两路隔离电源的电源设计方案，提高了电源的负载能力和系统抗干扰能力，在进行数字信号处理的同时，实现两线制HART通信;与研制的用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路相结合，形成一个完整的用于耐高温涡街流量传感器的数字式两线制HART涡街流量变送器。实验结果表明，该变送器消耗的电流约为3.3378mA，测量液体流量的精度可以达到0.5级。
　　常规的涡街流量计难以测量雷诺数在5000～20000范围内的小流量。为此，研制基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计。采用互相关分析方法，充分利用两路涡街流量信号的相似性，实现低雷诺数流量的测量;重新设计涡街流量计一次仪表，以满足互相关分析的要求;提出一种基于互相关分析快速计算延迟时间的方法，保证仪表的实时性;采用三次样条插值的方法，提高延迟时间的计算精度;以低功耗单片机MSP430F6459为核心，进行系统设计，满足低功耗要求。水流量标定结果表明，该涡街流量计量程下限所对应的雷诺数为6649，测量精度为1.0级。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 涡街流量计概述

1．2 涡街流量计工作原理

1．3 涡街流量计国内外研究现状

1．3．1 用于高温流体测量的涡街流量计国内外研究现状

1．3．2 具有通信功能的数字式两线制涡街流量计国内外研究现状

1．3．3 用于测量低雷诺数流量的涡街流量计国内外研究现状

1．4 面向特殊需求的涡街流量计关键技术问题

1．5 本文的主要研究内容

第二章 用于耐高温涡街流量传感器的信号调理电路研制

2．1 耐高温涡街流量传感器的特点

2．2 基于双电荷放大器的信号调理电路设计

2．2．1 双电荷放大器

2．2．2 低通滤波器

2．2．3 电压跟随器

2．3 信号调理电路屏蔽

2．3．1 电场耦合及其抑制技术

2．3．2 磁场耦合及其抑制技术

2．3．3 信号调理电路的屏蔽设计及效果

2．4 本章小结

第三章 数字式两线制HART涡街流量变送器研制

3．1 变送器整体设计方案

3．1．1 硬件组成

3．1．2 工作过程

3．2 两线制4～20mA输出及HART通信模块

3．2．1 两线制4～20mA输出

3．2．2 HART通信

3．2．3 数字隔离电路设计

3．3 电源管理模块

3．3．1 数字电源管理电路设计

3．3．2 模拟电源管理电路设计

3．4 EMC滤波与ESD保护电路模块

3．5 温压补偿模块

3．6 数字信号处理模块

3．6．1 MSP430F5418A单片机

3．6．2 电源监测电路

3．6．3 FRAM

3．7 人机接口模块

3．7．1 键盘输入

3．7．2 液晶显示

3．8 系统测试

3．8．1 功耗测试

3．8．2 4～20mA电流输出精度测试

3．8．3 HART通信测试

3．8．4 水流量标定

3．9 本章小结

第四章 基于互相关分析测量低雷诺数流量的涡街流量计研制

4．1 基于互相关分析的流量测量方案

4．1．1 流量测量方案

4．1．2 互相关分析计算延迟时间的原理

4．2 一次仪表设计

4．3 互相关分析中有偏估计与无偏估计的比较

4．3．1 有偏估计和无偏估计的特点

4．3．2 有偏估计和无偏估计应用于两个同频率涡街流量信号

4．4 信号处理方法研究

4．4．1 基于互相关分析快速计算延迟时间方法

4．4．2 三次样条插值方法

4．5 二次仪表研制

4．5．1 硬件研制

4．5．2 软件研制

4．6 系统测试

4．6．1 功耗测试

4．6．2 实时性测试

4．6．3 水流量标定

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间的学术活动及成果清单