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隨著(zhù)流量檢測儀器的技術(shù)發(fā)展，對流量的測量?jì)x表提出了更高的應用需求。傳統的流量檢測儀表一般依據各自的測量機理，通過(guò)簡(jiǎn)單的信息分析處理來(lái)完成測量工作。因此，在處理能力、測量精度、誤差修正、功能擴展等方面都存在著(zhù)局限性。新一代流量檢測儀器將以更優(yōu)良的性能取而代之。目前,高速、高精度、大容量的嵌入式處理器在控制和測量領(lǐng)域的應用越來(lái)越普遍。 1 電磁流量?jì)x表的基本原理 電磁流量?jì)x表是依據法拉第電磁感應定律來(lái)測量管內流體流量的測量裝置，現把電磁流量?jì)x表傳感器原理說(shuō)明，如圖1 所示。 圖1 電磁流量?jì)x表傳感器原理圖 當流體在管道內流動(dòng)經(jīng)過(guò)一橫向磁場(chǎng)B的時(shí)候，相當于有一定電導率的導體在切割磁力線(xiàn)，形成動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電流，通過(guò)管道徑向兩電極可以引出該電動(dòng)勢E，其大小與磁場(chǎng)B、流速V和管徑D成正比,即： E = B·V·D （1.1） 流體的體積流量Q與流速V和管道內截面成正比，只要測量出兩電極之間的電動(dòng)勢E，即可確定流量Q。 Q = V·πD2/4 =πD·E/4B （1.2） 當勵磁電流、管道尺寸和流體密度ρ確定的情況下，流體的質(zhì)量M 僅取決于對兩電極間的感應電勢 E 的檢測。電磁流量?jì)x表的數學(xué)模型為: M = Coe·ρ （E-E0）·x （1.3） 其中: Coe 為儀表系數;E0 為儀表零點(diǎn)修正;x 為多段非線(xiàn)性修正。 2 系統組成結構 電磁流量?jì)x表由測量裝置和電路兩部分組成 ,電路部分主要由檢測輸入模塊、勵磁輸出模塊、流量輸出模塊、圖形顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、通信及調試接口、電源模塊、以及最重要的基于 ARM9 嵌入式系統的核心板組成。圖2 給出了嵌入式電磁流量?jì)x表的系統框圖。 圖2 電磁流量?jì)x表系統結構框圖 系統經(jīng)過(guò)初始化之后，核心板向勵磁模塊輸出一數字量的勵磁信號，經(jīng)過(guò) D/A 轉換和電流放大，驅動(dòng)傳感器的勵磁線(xiàn)圈產(chǎn)生一定強度的磁場(chǎng)。傳感器的流速感應電極送出微弱的感應信號經(jīng)過(guò)輸入模塊的放大濾波處理，經(jīng)過(guò) A/D 轉換成數字量輸入ARM9 處理器，進(jìn)一步進(jìn)行數字分析處理。通過(guò)顯示模塊直接顯示瞬時(shí)流量、累積流量和動(dòng)態(tài)流量圖形。另外由流量輸出模塊輸出 4～20 mA 的標準的智能儀表瞬時(shí)流量信號。 2.1 檢測輸入及 A/ D 轉換電路 1. A/D信號的轉換機理 A/D轉換器是將模擬量信號轉換成數字量信號的電路。模擬量可以是電壓或電流信號。對于聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時(shí)間和狀態(tài)連續變化的非電信號的物理量，可通過(guò)合適的非電信號的物理量傳感器（如液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器）轉換成電信號。模擬量只有轉換成數字量才能被LED數碼顯示和自動(dòng)化控制�；虮挥嬎銠C采集、分析、計算。目前，A/D轉換的種類(lèi)很多，根據轉換原理可以分為逐次逼近式、雙積分式。常見(jiàn)的A/D轉換器的有效位數有4、6、8、10、12、14、16位等多種。 A/D轉換過(guò)程包括取樣、保持、量化、編碼4個(gè)步驟，一般前2個(gè)步驟在取樣保持電路中1次性完成，后2個(gè)步驟在A(yíng)/D轉換電路中1次性完成。 2. 檢測輸入模塊 檢測輸入模塊包括差分測量放大器、低通和高通濾波器、增益放大器以及 A/D 轉換電路，如圖3所示。 圖3輸入及 A/ D 轉換電路框圖 由于電磁流量?jì)x表的電極輸出信號非常微弱，一般只0—10mV數量級，而且，工業(yè)環(huán)境干擾非常大。因此，為了保證測量精度，送入 A/D 轉換的輸入信號應達到- 215～+ 215V 的范圍，其模擬部分電壓增益應該在60dB以上。其中，前置放大器采用差分輸入的儀表用放大器AD620，高通濾波和低通濾波采用二階有源濾波器形成帶通濾波器濾除工頻干擾及雜波，放大器采用運放CA3240A完成。A/D 轉換單元采用 MAX1297AEEG實(shí)現12位并行模數轉換，直接與核心板的I/O線(xiàn)連接。 2.2 勵磁輸出電路 電磁流量?jì)x表的勵磁電路的任務(wù)是向勵磁線(xiàn)圈提供一穩定的驅動(dòng)電流。電流波形為方波、三值方波和梯形波等形式，波形變化的目的是結合信號處理電路，分析在不同勵磁方式下電磁流量?jì)x表的精確度、零點(diǎn)穩定性和抗干擾能力等多項指標。為研制高精度電磁流量計作探索性研究。該電路由核心板的SPI2 口輸出數字量，經(jīng)過(guò) D/ A 轉換形成模擬信號，經(jīng)V/I轉換激勵和帶有電流負反饋的電流放大器輸出，適合各種勵磁波形的變化。結構框圖如圖 4所示。D/ A 轉換電路采用 AD7243 芯片，實(shí)現 12 位的 SPI同步串行輸入 ， - 5～ + 5 V 的雙極性輸出。與 ARM9 核心板的SPI2口對接，如圖4所示。 圖4 勵磁電路框圖 激勵放大器采用 CA3240A 運放，其特點(diǎn)是電源電壓高，能獲得較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。電流放大利用兩對復合管實(shí)現，要求管子盡可能配對。接入勵磁線(xiàn)圈后，引入大環(huán)路的電流負反饋，穩定輸出勵磁電流。 2.3 流量輸出模塊 電磁流量表在實(shí)現測量、分析和處理的時(shí)候，除了現場(chǎng)顯示瞬時(shí)流量和累積流量以外，通常還會(huì )輸出一個(gè)標準的4～20 mA電流信號。因此，流量輸出電路利用AD421轉換電路實(shí)現了流量輸出的功能。AD421芯片是一款低電壓、串行輸入的D/A轉換電路，具備4～20 mA環(huán)路電流輸出，支持 HART通信協(xié)議。 D/A轉換的電壓基準REFIN 選用芯片提供的REF OUT2（215 V）。流量輸出電路中LV與 VCC 之間接00.1μF的電容，決定了由+24V的環(huán)路電源LOOP Power產(chǎn)生313 V電源，+24V的環(huán)路電源LOOP POW-ER經(jīng)內部控制電流由 LOOP RTN返回，形成4～20mA的電流環(huán)路。 3 系統的軟件設計 嵌入式處理器ARM9內核在電磁流量?jì)x表的軟件系統主要考慮的是核心板及各個(gè)硬件模塊的初始化設置，系統在啟動(dòng)之后，通過(guò)調用底層的驅動(dòng)程序完成核心板與各個(gè)硬件模塊之間的命令控制和數據傳送，建立相應的中斷服務(wù)子程序及中斷向量表。采用模塊化結構建立系統程序，電磁流量計應用系統主要由定時(shí)器中斷進(jìn)行管理，勵磁信號的輸出和轉換保持、感應信號的多次數據采集、流量的顯示和對外輸出等均由定時(shí)器的中斷服務(wù)來(lái)完成。 本系統的軟件平臺主要是以嵌入式Linux為操作系統來(lái)實(shí)現開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立。MiniGUI為圖形用戶(hù)界面支持系統，在此基礎上進(jìn)行功能的研發(fā)。SQLite為數據庫引擎，進(jìn)行流量測量系統的數據庫設計。 系統的控制流程完成參數設置、流量信號檢測控制、報警等功能。系統啟動(dòng)后，在界面中顯示當前狀態(tài)并接收用戶(hù)的輸入設置，同時(shí)生成另一條線(xiàn)程實(shí)現流量的檢測控制。 4 總結 經(jīng)過(guò)精心研究、開(kāi)發(fā)、設計與實(shí)驗，本文研制的基于A(yíng)RM920T內核的電磁流量測量?jì)x表有效地解決了液體流量的精確測量與控制問(wèn)題，并能提高液體流量的測量精度，同時(shí)可以實(shí)現遠程監控。該系統能夠廣泛地應用在石油化工、工礦等企業(yè)。該智能儀表選用的嵌入式微處理器S3C2410A，可以實(shí)現多種勵磁方式、數據的 USB 存儲、以太網(wǎng)絡(luò )通信、彩屏顯示等功能。同時(shí)在該電磁流量?jì)x表的設計過(guò)程中，采用了先進(jìn)的硬件與軟件協(xié)同設計方案。另外，S3C2410A在電磁流量?jì)x表系統中作為高端的應用研究，在硬件上采用了模塊化設計方法，提高了電磁流量?jì)x表的應用和研究水平，降低了設計難度。 通過(guò)系統測試，該智能儀表能與工業(yè)中的自動(dòng)化傳感器連接，組成流量測量控制系統，能夠被廣泛地用于各種工業(yè)液體的流量測量與控制，比如化工廠(chǎng)試劑的流量測量，石油的流量測量，汽油煤油的流量測量等方面，并有很好的性?xún)r(jià)比，推廣應用前景良好。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn): 本文把ARM9內核應用在電磁流量?jì)x表中，使得電磁流量?jì)x表在輸入信號數字濾波、歷史數據保存、輸出多種勵磁信號的變化、測量信息的特殊處理、測量結果的動(dòng)態(tài)圖形顯示、人性化的管理和控制等方面得到了應用。 該電磁流量?jì)x表能與工業(yè)中的自動(dòng)化傳感器連接，組成流量測量控制系統，并能夠被廣泛地用于各種工業(yè)液體的流量測量與控制，比如化工廠(chǎng)試劑的流量測量，石油的流量測量，汽油煤油的流量測量等方面，并有很好的性?xún)r(jià)比，推廣應用前景良好。 |
