基于DSP的高精度智能涡轮流量传感器设计

王元委， 齐 娜， 王振廷， 吕 颖， 刘 岩

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

流量测量技术广泛应用于能源、水利、农业、管道输送、交通运输、科学实验、航空航天等领域。流量测量在野外特种车辆中尤为重要，乘员需要对载具工作状况进行准确判断[1～4]。载具工作条件恶劣，要求所使用的流量传感器不但测量准确，且具备体积小、防潮、抗震、工作温度宽等特点[5]。

目前，流量传感器类型分为差压式流量传感器、容积式流量传感器、涡街流量传感器、超声波流量传感器和涡轮流量传感器等[6]。相比于其他类型的流量传感器，涡轮流量传感器具有结构简单、体积小、精度高、量程范围宽、输出频率信号等优点，能够满足载具的使用环境和测量精度等要求。依据采用环境需求及技术要求，本文设计一种基于DSP的高精度智能流量传感器，该传感器使用涡轮式结构，采用DSP TMS320F2812作为核心处理器，利用高精度测频技术和温度补偿技术提高测量精度，通过CAN总线输出测量结果。该流量传感器能够在恶劣的工作条件下，快速、准确地测量载具的流量数据，是实时监测载具工作状态的重要手段。

1 涡轮流量传感器的工作原理

涡轮流量传感器的运动微分方程为

Jdω/dt=Tr-Trm-Trf-Tre

(1)

式中J为涡轮的转动惯量,ω为涡轮的旋转角速度,Tr为流体对叶片的推动力矩,Trm为涡轮轴与轴承之间的机械摩擦阻力矩,Trf为流体对涡轮的阻力矩,Tre为电磁检测器对涡轮的电磁阻力矩。通常,Tre比较小,其影响可以忽略[7]。在正常工作条件下,涡轮以稳定的角速度ω旋转。当流量大于始动流量值以后,Trm的影响可以忽略。影响流量传感器量特性的主要因素为Trf,即

Tre=0,dω/dt=0,Trm=0

(2)

得到稳定工况下的运动微分方程为

Tr-Trf=0

(3)

其中，推动力矩Tr为

(4)

式中r为叶片的平均半径,ρ，qv分别为流体的密度,体积流量,F为传感器的流通截面积,θ为涡轮叶片与轴线的夹角[8]。

一般流体均处于湍流状态,则流体流动阻力矩Trf为

(5)

式中C为比例常数。

涡轮流量传感器的仪表系数通常通过流量标准装置实验标定得到，由理论方程计算不出仪表系数或计算的仪表系数误差较大。经理论分析和实验验证所得仪表系数K为

(6)

式中f为脉冲频率,f=Nω/2π,N为涡轮的叶片数量。

由式(6)可知，在湍流状态下，体积仪表系数K只与传感器结构参数有关，与流量qv以及流体的物理特性参数(粘度、介质密度等)无关，可近似为一个常数。

2 涡轮流量传感器的设计

2.1 传感器的总体设计

被测流体通过涡轮流量传感器时，通过导流器冲击涡轮叶片，所产生的转动力矩使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动，旋转的叶片不断切割管壁外的磁电感应线圈，使感应线圈回路磁阻周期性发生变化，通过线圈的磁通量也发生变化，产生与流量大小成正比的脉冲信号。

涡轮流量传感器是容积式的流量计量装置，流体密度随温度变化的特性，导致通过涡轮流量传感器在不同温度下测量相同流量的流体时，产生流量测量误差，故需通过温度传感器，结合流量补偿算法修正上述误差。野外特种车辆用智能涡轮流量传感器结构如图1所示。

图1 智能涡轮流量传感器结构

涡轮叶片切割磁电感应线圈所产生的脉冲信号十分微弱，在流量信号处理电路中，经过信号放大及比较器比较后，产生幅值约为3 V的方波信号，送入DSP进行频率信号采集。温度信号处理电路用于测量导流器中流体的温度数据。温度测量采用惠斯通电阻桥的方式，铂电阻器Pt 1000温度探头经导流器的开口，置于被测流体中。铂电阻器的阻值因温度而改变时，在电桥的两端产生电势差。通过放大器放大后，送入DSP进行AD采集。

DSP采集流量信号处理电路发送的方波信号并采集流体的温度数据，利用单位时间内方波的数量计算通过导流器的流体流量，结合温度数据，对输出结果进行流量补偿，再通过CAN总线收发器以10Hz的频率与野外特种车辆通信。为避免方波的幅值超出DSP GPIO的承受范围，使用反向施密特触发器对方波进行整流，同时使信号更加规范。

2.2 软件设计

DSP程序主要由主程序、脉冲频率采集程序、温度采集程序、CAN总线通信程序和流体流量补偿算法等几部分组成。

2.2.1 主程序设计

主程序流程如图2所示。在主程序中，完成DSP外设的初始化以及中断初始化等工作后，当温度采集标志位和脉冲频率采集标志位全部有效时，程序调用流量补偿程序，并将补偿后的流量数据经CAN总线输出。

图2 主程序流程

2.2.2 脉冲频率采集设计

利用事件管理器中的通用定时器1和通用定时器2实现脉冲频率的采集。经施密特触发器整形为方波的脉冲频率信号，作为通用定时器2的外部时钟源，送入DSP中。通用定时器1定时周期设置为1 Hz，在通用定时器1的中断服务函数中，读取触发2次中断之间，通用定时器2外部时钟源的方波数量，从而获得感应线产生的脉冲频率。

2.2.3 温度采集设计

温度信号处理电路测量的温度范围为-50～130 ℃，精度为0.5 ℃，输出的电压范围为0.1～3 V。ADC设置为并发采样方式，利用SEQ1序列发生器中ADCINA0作为采集通道，DSP内部集成12位ADC，采样精度较低，利用ADC采集的数据直接计算流体温度误差较大，故采用查表法计算流体温度。

2.2.4 CAN总线通信设计

TMS320F2812集成增强型CAN控制器，传感器不必外加CAN控制器实现CAN总线底层协议。使用SN65HVD230Q作为CAN总线收发器，可增大通信距离，提高瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰(radio frequency interference,RFI)，实现热防护等。

2.3 高精度测频技术

为了保证频率采集精度，结合测频法和测周法的特点，采用“中界频率”算法进行流量频率采集，通过大量实验结果分析，找出一个“中界频率点f0”，f0以下采用测周法，f0以上采用测频法，可以有效提高频率测量精度，同时硬件上采用数字处理器进行数据采集和运算，并利用150 MHz频率采集信息，优化后的测频算法不但具备采集测量的实时性，在很大程度上提高了测量精度，其精度可达0.005 %，解决了现有技术中涡轮流量信号测量的实时性与精确性之间的矛盾。

2.4 流体流量补偿算法设计

依据需求，该流量传感器的工作温度为-20～120 ℃，输出精度为0.5 %。最常用的补偿方法在全温度区间、全流量区间内，实液标定涡轮流量传感器输出结果，对该结果与标准数据之间的差值进行补偿。该方法具有补偿精度高，但操作繁琐，且设备复杂，不易实际操作[9]。

受流体温度的影响，传感器内部尺寸发生变化。对涡轮流量传感器的仪表系数产生影响。其修正系数为

(7)

式中α为传感器导流器材料膨胀系数,β为传感器内涡轮材料膨胀系数,Δt为工作温度与标定温度之差。工作温度t℃时的体积仪表系数为

Kt=K0K1

(8)

式中K0为标定温度时的体积仪表系数。

流体密度与温度的关系式为

ρt=ρt0-γ(t-t0)

(9)

式中ρt为温度为t℃时的流体密度,ρt0为标定温度时的流体密度,γ为流体密度温度系数,t为流体的实际温度。

一定质量的流体,其密度随着温度的变化发生变化,体积也将随之改变。仅测量体积流量必然引入较大误差,使用质量流量测量将更为合理。定义涡轮流量传感器的质量仪表系数为

(10)

式中qm为流体的质量流量。质量仪表系数的绝对变化量为

ΔKm=Km,t-Km,t0

(11)

式中 ΔKm为质量仪表系数的绝对变化量,Km,t为温度为t℃时,传感器的质量仪表系数,Km,t0为标定温度时,传感器的质量仪表系数。

将式(9)、式(10)代入式(11)并整理得

(12)

由式(12)可知，在已被测知流体各个温度下密度的情况下，可通过当前温度下密度液体的密度与标定温度下的密度关系，修正因温度变化引起流体的流量误差。

通过式(8)和式(12)，可得

(13)

即

(14)

式中Kv,t为修正后的体积仪表系数，A为比例系数。通过式(14)可补偿因温度引起的涡轮流量传感器的精度误差。

(15)

式中Kmax为流量范围内最大流量时的仪表系数，Kmin为流量范围内最小流量时的仪表系数。

在涡轮流量传感器的使用范围内，将标定温度下的特性曲线划分为若干部分，依据感应线圈产生的脉冲频率的不同，分别选取相应分段内的K值，代入式(14)，达到减小输出误差的目的。由特性曲线可知，在可测流量范围内，曲线分为线性区和最小流量非线性区两部分。由于最小流量非线性区变化较大，故在该部分的分段密些，线性区的分段疏些。在保证计算精度的同时，提高程序的处理速度。

3 系统调理电路设计

3.1 流量转换电路

流量输出频率信号在进入处理器采集前，通过施密特触发器将矩形频率信号峰峰值限制在3.3VDC以内，以便保护处理器I/O口不被烧毁。

3.2 数字处理电路

处理器采集到流量信号后，通过温度采集数据和流量标定数据，进行流量仪表系数的线性修正，补偿后的流量信号通过CAN总线信号输出。

4 实验测试

在流量标定试验装置中，使用水作为被测流体。涡轮流量传感器规格为DN25，测试温度为25 ℃，测量范围为3～9 m3/h,导流器材料为不锈钢，涡轮材料2Gr13。选取3,4,5,6,7,8,9 m3/h共7个测试点测试。测量精度为

(17)

式中L为流量精度值,Cis为第i点的标准流量值,Cit为第i点的实测流量值,n为测试点数量,YFS为满量程输出。

涡轮流量传感器测试结果如表1所示。

表1 测试结果

通过上述对比实验可知，不同温度及不同流量下，智能涡轮流量传感器均可实现高精度测量，精度可达0.3 %，且收敛性较好。

5 结 论

本文针对野外特种车辆的具体应用需求，设计一种基于DSP的智能涡轮流量传感器。采用涡轮式结构，利用DSP作为核心处理器，使用CAN总线作为输出方式，并结合流量补偿算法。在不同流量条件下，对智能涡轮流量传感器的测量精度进行测试，结果表明:传感器的测量精度较高，其测量精度为0.312 %。且具有体积小、可靠性高，工作温度宽等特点，满足野外特种车辆的使用需求。