流量检测装置说明书

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ADl674 的内部结构及引脚排列如图 8 所示。各引脚的符号、类型及意义请参 考有关资料手册。
图 8 ADl674 的内部结构及引脚排列
6.DSP 芯片的选型 根据装置需求对 100 点差压数据采集,周期 0.5 秒,数据量较大,对速度有
..
较高要求,同时对精度上要求 10 位以上,所以本设计选用 TMS320C5402 定点 dsp 处理器。TMS320VC5402 是 C54x 系列的杰出代表,是一款性价比极高的定点 DSP,具有速度快(指令周期为 10ns ),精度高(32 位),192K bytes 的存储 空间(64K bytes 的程序存储空间、64K bytes 的数据存储空间、64K bytes 的 I/O 空间),功耗低,价格便宜的特点。C54x 采用多总线技术,具有一条程序总线、3 条数据总线和 4 条地址总线,可同时进行程序指令和数据的存取,具有高度的并行 性。C54x 采用模块化的设计,使派生器件得到了快速的发展,并且采用了最新的 芯片制造工艺,提高了芯片的性能,降低了功耗。
..
●支持向现场总线与基于现场控制的技术的升级; ZL1151 电容式差压变送器关键技术指标如下:
3.多路模拟开关的选型 考虑到 100 点差压信号的采集需要 100 路模拟开关控制,因此本设计选用 1
3 片 AD7501 芯片,通过 DSP 发出控制信号选择某一路差压信号输入。其逻辑结 构及引脚如图 6 所示,3 个地址线 A1、A2、A3,1 个使能端 EN,8 路输入 S1、 S2-----S8,1 路输出 Out。
与节流式孔板流量计、v 型内锥式流量计等相比。MPA 流量计的管道压力损 失很小,仅为普通孔板流量计的 1/5--1/8,是一种节能式流量测量仪表;
由于测量是通过管道截面多点平均流速的测量来实现的,因此 MPA 流量计对 前直管段要求相对较低,一般表前有 5 倍 D 的直管段就可以满足测量要求,而 表后只要有 2 倍 D 的直管段就可以满足要求;
●耐过压;
●固体传感器设计;
●全系列统一结构、互换性强;
●接触介质的膜片材料可选;
●低压浇铸铝合金壳体;
●测量速率:0.2S;
●小型化(2.4kg)全不锈钢法兰,易于安装;
●过程连接与其它产品兼容,实现最佳测量;
●采用 16 位计算机的智能变送器;
●标准 4-20mA,带有基于 HART 协议的数字信号,远程操控;
等环面法将半径为 R 的圆管分成 n 个面积相等的同心圆环(最中间的为圆)。
在每一个圆环的等面积处设置测量点,即特征点位置。半径方向上 n 个测量点的
ri R 位置为 r1、r2、r3……、rn,
2i 1 2n 。
切比雪夫积分法是利用切比雪夫插值点 ti 求函数在区间﹣1 到 1 的积分的一
11
P
P1
P2
2
(v22
v12 )
(5)
将(3)代入(5)式,并整理,则得:
P
2
[1 (
A2 A1
)2 ]v22
(6)
..
由于
A1
D2 4

A2
d2 4

定义直径比 d , D
其中 d 为工作状况
下节流件的等效开孔直径,D 为管道直径,则得到:
P
2
(1
4)
qv2 A22
这样可推导出以下的理论流量公式:
二、设计说明书要求:
1. 系统构成框图及构成说明,包括主要部件的选型及依据; 2. DSP 与 A/D 转换芯片连接的电原理图; 3. 程序框图,包括主要流程; 4. 采集、数字滤波、流量计算程序清单。
三、差压式流量计基本理论
1.节流装置工作原理 差压式流量计是根据伯努力方程和流体连续性原理用差压法测量流量的,其
图 6 AD7501 逻辑结构及引脚图
AD7501 性能指标如下: ●CMOS 工艺制造; ●单 8 路 1 模拟多路转换器; ●16 引脚 DIP 封装; ●电源:+/-15V; ●功耗:300uW;
..
●开关接通电阻:170 欧; ●开关接通、断开时间:0.8us; 4. 放大电路
由于差压变送器的输出信号为电流值,且幅值较小达不到 ADC 需要的采样幅 值,所以信号首先要经过放大器的放大处理,转化为 0-5V 的电压信号,如图 7 所示,发射信号经一对二极管 IN4007 的幅值保护后由同相放大器 LF357 与反相 放大器 LM318 完成信号的放大处理。
图 7 放大电路 5. A/D 转换器的选型
根据装置需求分辨力 0.1%,(分辨力是指仪表能显示的最小数字(零除外) 与最大数字的百分比),以及采集周期 0.5s,所以本设计选用美国 AD 公司新近 推出的一种性能优越、由 BMIOS 工艺制成的 12 位模数转换芯片 ADl674。本芯片 采用 12 位逐次比较方式工作,除了具有较高分辨力 0. 05%外,采样频率高达 100 kHz,即转换速率达 10μs,片内还集成有高精度的基准电压源与时钟电路,从而 使芯片在不需要任何外加电路和时钟信号的情况下完成 A/D 转换,使用非常方 便。
40
四、差压式流量计硬件设计
差压式流量计整体设计框图如图 2 所示, 首先安装在管道中的多个节流装 置检测出流体差压 Pj ,送入差压变送器转换为相应电流 I j (4-20mA);然后 DSP 控制多路模拟开关选择输出一路电流 I j 到放大器,使其转化为相应电压U j (0-5V);最后信号由 A/D 采样后导入到 DSP(同时选通第二路电流信号), 对多路数据进行处理并显示。
流量检测装置设计说明书
一、装置需求:
1. 100 点流量差压信号的采集。用键盘输入流量系数,输入时可显示; 2. 范围 0-1000l/min,采集周期 0.5s,信号 4-20mA,分辨力 0.1%; 3. 要求运用数字滤波(方法自选); 4. 计算瞬时流量(l/min)、累计流量(m3/h),并显示; 5. 操作人员可随时修改流量系数和切换显示内容(瞬时/累计流量)。
2. 差压变送器的选型 根据装置需求输出电流 4-20mA,另外考虑到测量范围、精度等级及工作温
度等多种因素,本设计选择 ZL1151 电容式差压变送器。ZL1151 输出电流 4-20 (mA),测量范围 0-40000(KPa),精度等级 0.05%,工作温度-40-140 摄氏度, 优于装置需求。ZL1151 电容式差压变送器结构图如图 5 所示。
..
产品特点:
图 5 差压变送器结构图
●超级的测量性能,用于压力、差压、液位、流量测量;
●精度高:数字精度+(-)0.05%;模拟精度+(-)0.5%~+(-)0.1%F.S;
●量程、零点外部连续可调,量程比 100:1;
●正迁移可达 500%、负迁移可达 600%;
●稳定性能好,稳定性:0.25% 60 个月;
..
AD1674 的基本特点和参数如下: ●带有内部采样保持的完全 12 位逐次逼近(SAR)型模/数转换器; ●采样频率为 100kHz; ●转换时间为 10μs; ●具有±1/2LSB 的积分非线性(INL)以及 12 位无漏码的差分非线性(DNL); ●满量程校准误差为 0.125%; ●内有+10V 基准电源,也可使用外部基准源; ●四种单极或双极电压输入范围分别为±5V,±10V,0V~10V 和 0V~20V; ●数据可并行输出,采用 8/12 位可选微处理器总线接口;
MPA 流量计是一种用于测量管道中液体,气体或蒸汽等流体流量的新型的差 压式流量计。流体的流量正比于流量计差压信号的平方根,用户只需配用差压计 及流量显示积算仪就可以得到准确的流量测量。 (1)与一般的速度式流量计的区别 :
例如:皮托管流量计-测量的是某个点的流速;均速管流量计-测量的是管 道纵向或横向分布的平均流速。而 MPA 流量计是测量分布在管道截面上多个点 (测量点是严格按切比雪夫积分法选取在管道横截面上)的流体流速并最终得到 准确的管道平均流速测量,因此它具有良好的流量测量准确度; (2)与一般节流式差压流量计的区别:
布图如图 4 如下:
..
图 4 流速测量点分布示意图
MPA 流量计为低压差设计,因此测量气体时一般不必考虑气体膨胀系数的影 响。只有在低压系统中使用(例如常压系统气体流量测量),差压值与系统压力 比(△p/P)大于 4%时需要考虑气体膨胀性对测量的影响。
因此,MPA 流量计是一种新型的高性能的流量测量仪表。其参数指标如下:
(7)
qv
1 d2 1 4 4
2 P 1
(8)
又由于流量系数 C 的定义是:C= 实际流量/理论流量,可得出节流式差压流
量计普遍适用的测量体积流量的实际流量公式:
qv
C d2 1 4 4
2 P
(9)
其中,ε为被测介质的可膨胀性系数:对于液体=1; 对气体、蒸气等可压缩
流体<1 。
节流装置工作原理如图 1 所示,在横截面 H 处:流体的平均流速是 v1,密度是ρ 1,横截面积是 A1;在横截面 L 处:流体的平均流速是 v2,密度是ρ2,横截面积 是 A2。
..
图 1 差压流量计工作原理图
根据流体流动连续性原理有如下关系式:
v1·A1·ρ1=v2·A2·ρ2
(1)
如果流体是液体,可认为在收缩前、后其密度不变:
ri R 种近似算法。经过变换,可以求得管内半径方向的测点位置
2 2 ti 。
对数线性法选择特征点的原则是把各环面上的平均速度看作是该环面上各
特征点所测得的速度的算术平均值。而整个截面上的平均速度就等于各环面平均
速度的算术平均值。
MPA 流量计是严格按照切比雪夫法选取分布在管道上的流速测量点的,其分
的流量信号进行一次开放运算,具体如下:
输出值 输出起始值 输出满程值 输出起始值
输入值 输入起始值 输入满程值 输入起始值
(11)
..
即:
输出值
输入值 输入起始值 输入满程值 输入起始值
(输出满程值
输出起始值)
Leabharlann Baidu
输出起始值
应用实例: 求测量范围为 0-4KPa,输出 4-20mA 的带开方差压变送器,输入 2KPa 差压 值时的输出电流为多少? 输入 2KPa 时的输出电流= 2 0 (20 4) 4 0.5 16 4 15.31 mA
场取压差压测量技术措施可抑制测量噪声,提高信号测量的准确性,测量范 围度一般可达到 1:12 或更大。
MPA 流量计的结构如图 3 所示。
..
图 3 MPA 流量计的结构图
用 MPA 流量计测量流量的关键是如何确定特征点(即流速测量点的分布)。
目前比较常用的有等环面法、切比雪夫积分法和对数线性法。
根据累计流量的定义,即在某一段时间内流过某横截面流体的总量,所以液
体的体积累计流量为:
Qv t qvdt
(10)
因此,我们只要检测出差压即可分别计算出瞬时流量和累计流量的大小。
2. 差压变送器工作原理 在采用差压方式进行流量测量时,其流量 Qv 与差压 P 呈非线性关系,即差
压信号与流量之间存在一个开方关系。为了线性的表达流量,需要对测量系统总
ρ1=ρ2=ρ
(2)
根据瞬时流量的定义,即单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量,
所以液体的体积瞬时流量:
qv v1 A1 v2 A2
(3)
根据伯努利方程(能量守恒定律),在水平管道上 Z1=Z2,则有如下关系式:
P1
1v12 2
P2
2 v22 2
(4)
应用伯努利方程和流动连续性原理,在两个横截面上压力差则有如下关系式:
节流装置
差压变送器






节流装置
差压变送器
模 拟

… …
… …

节流装置
差压变送器
放大器
显示
A/D
DSP
键盘
图 2 差压式流量计整体设计框图
1. 节流装置的选型 根据装置需求 100 点流量差压信号的采集,范围 0-1000l/min,本设计选用
..
MPA(Multi-Point Averaging Flow meter)流量计(多点测量平均流速流量计)。 每个 MPA 流量计有 24 点流量信号的采集,相比其他只能 2 点流量信号采集结构 的流量计而言,精度高;同时流量范围 1-15000(m3/h)远超过设计指标要求。
TMS320C5402 基本特点: ●运算速度快,指令周期为 10ns; ●192K bytes 的存储空间(64K bytes 的程序存储空间、64K bytes 的数据存储空 间、64K bytes 的 I/O 空间); ●优化的 CPU 结构。1 个 40 位的算术逻辑单元、2 个 40 位的累加器、2 个 40 位 的加法器、1 个 17×17 乘法器和 40 位的桶型移位器,有 4 条内部总线和 2 个地 址产生器; ●低功耗,可在 3.3V 或 2.7V 电压下工作,三个低功耗方式; ●智能外设,除标准的串行口和时分复用串行口外,还含有自动缓存串行口(2k buffer)和外部处理器并行口 HPI。
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