流量監(jiān)控系統(tǒng)信號測量電子電路

本著小型化、智能化的原則，設(shè)計(jì)中采用Philips公司帶下載功能的高性能P89C51RD2單片機(jī)作為控制核心;設(shè)計(jì)了LED并配以小鍵盤構(gòu)成的便捷人機(jī)對話接口;輔以打印輸出、數(shù)據(jù)存儲、開關(guān)量輸出;系統(tǒng)采用AC-DC電源模塊為系統(tǒng)供電;構(gòu)成高精度數(shù)據(jù)采集處理平臺。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，各種流動(dòng)介質(zhì)的計(jì)量問題及流量的精確測量己成為當(dāng)前工業(yè)測控系統(tǒng)、能源計(jì)量管理等領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容。同時(shí)在石油化工、食品醫(yī)藥、加工制造等行業(yè)也都離不開流量計(jì)量問題，于是流量監(jiān)控就在諸多學(xué)科的共同關(guān)注下迅猛地發(fā)展起來，流量技術(shù)也吸收應(yīng)用了多種多樣的科學(xué)規(guī)律和工藝手段。幾乎對于任何流體人們都可以想到測量它的方案。流量監(jiān)控儀就是在這樣的背景下出現(xiàn)在智能儀表大家庭中的。

流量監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

流量監(jiān)控系統(tǒng)是流量計(jì)的二次儀表，它接收一次儀表、變送器的信號，進(jìn)行處理和運(yùn)算，并將計(jì)算的結(jié)果由顯示、控制單元進(jìn)行顯示和累積。近年來生產(chǎn)的工業(yè)流量計(jì)都是由一次儀表、變送裝置及二次儀表構(gòu)成的一個(gè)流量測量系統(tǒng)。流量顯示控制在流量測量系統(tǒng)中起著極其重要的作用，從某種意義上講，它的質(zhì)量優(yōu)劣代表了整個(gè)流量計(jì)的質(zhì)量好壞。對于流動(dòng)波動(dòng)或不斷變化的各種工業(yè)流體介質(zhì)，沒有高性能、高運(yùn)算精度的流量顯示控制系統(tǒng)，不可能準(zhǔn)確測量流量。

一個(gè)智能流量監(jiān)控系統(tǒng)就是要充分利用單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)并配合一些外圍器件，通過編制合理的軟件程序完成流量高精度的控制的較先進(jìn)的一種計(jì)量系統(tǒng)。它可以充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，方便完成高精度的補(bǔ)償運(yùn)算，并根據(jù)配接的流量傳感器類型通過良好的人機(jī)界面完成參數(shù)設(shè)置，調(diào)用不同的數(shù)學(xué)模型完成相應(yīng)的控制。

流量監(jiān)控系統(tǒng)的智能化就是要求這樣的系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)與各種不同的一次儀表配用，可以根據(jù)一次儀表自動(dòng)選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)考慮工況進(jìn)行補(bǔ)償以提高測量的精度。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路：在控制系統(tǒng)中設(shè)置二級參數(shù)，二級參數(shù)的設(shè)置通過面板上的按鍵完成，系統(tǒng)的顯示和控制要以二級參數(shù)的設(shè)置自動(dòng)選擇運(yùn)算公式。本文以Philips公司的P89C51RD2HBP微處理器作為核心，構(gòu)成高性能流量監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

流量監(jiān)控系統(tǒng)信號的測量

一個(gè)完整的智能測量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分組成，在流量監(jiān)控中輸入的信號種類比較多，一部分是流量信號，另一部分則是與流量息息相關(guān)的物理量信號，例如溫度、壓力等，這些信號直接影響流量監(jiān)控的精度，特別是氣體流量的測量。因而，這里著重介紹這些信號的采集、處理方法以及相應(yīng)的補(bǔ)償分析。

熱電偶測溫度及補(bǔ)償

由于在流量監(jiān)控中涉及到溫度補(bǔ)償，所以溫度信號也是儀表的一個(gè)重要輸入信號。工程上大多采用使用廣泛的熱電偶、熱電阻以及溫度變送器來進(jìn)行溫度的測量。因而，在系統(tǒng)中就要對這些信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。對于熱電偶的測量，實(shí)際上是測量熱電偶輸出的毫伏電壓信號。通過熱電偶電壓采集電路將毫伏信號采入，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，再通過測量程序的多次修正，得到熱電偶毫伏電壓信號的數(shù)值，之后查相應(yīng)的熱電偶分度表，從而得到溫度值。圖2為熱電勢采集電路。

熱電阻測溫度及補(bǔ)償

熱電阻測溫度是利用某些導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化這一性質(zhì)來做成溫度測量敏感元件，通常采用的有鉑熱電阻Pt100($5.8752)、銅熱電阻 Cu50o這些材料的電阻隨溫度變化而改變，通過測量電阻值再根據(jù)阻值和實(shí)際溫度的對照線性表就可以推算被測對象的溫度。這類傳感器主要用于低溫和中溫范圍內(nèi)的溫度測量。為了準(zhǔn)確的測量電阻值，消除引線電阻的影響，我們采用三線法測量電阻。具體的電路圖如圖3。

變送電壓、電流信號的測量

在流量監(jiān)控系統(tǒng)中，由于有變送器輸入的溫度信號、壓力信號、差壓信號、流量信號等，所以就必須設(shè)計(jì)針對變送輸入的0-5V和1-5V電壓信號的測量以及0-10mA和4-20mA的電流信號的測量。對于電壓信號的測量，因?yàn)槲覀儾捎玫腁/D轉(zhuǎn)換芯片在基準(zhǔn)電壓為0.5V時(shí)，測量的電壓范圍為0-1 V，所以要先對大電壓信號進(jìn)行相應(yīng)的衰減后才能進(jìn)行有效的測量。我們所用的測量電路為圖4：

輸入信號處理

在測量流量時(shí)，各種傳感器送來的信號都要進(jìn)行抗干擾處理，否則將會被噪聲信號埋沒。比如當(dāng)測量毫伏輸入信號時(shí)，如果不加處理，那么很小的幾個(gè)毫伏的信號將會被埋沒，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器對輸入的信號幅度也有限制。另外對電流信號也不能直接的測量，要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后才可以測量。所有這些都要求對輸入信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，因此我們引入了小信號處理電路。還有對各種信號的放大倍數(shù)要求也不一樣，我們采用了程序適當(dāng)?shù)目刂圃鲆娴姆椒ā?/p>

由前面的內(nèi)容可以知道，在系統(tǒng)中涉及的信號類型較多，各種信號范圍各異，由于體積的限制以及考慮到成本，故在多路信號的檢測過程中，多個(gè)通道共用一個(gè)放大器。信號經(jīng)放大處理后送至A/D轉(zhuǎn)換器，由于各個(gè)輸入量傳送到放大器的信號電平不同，放大器的增益也應(yīng)不同。一般情況下，應(yīng)使被轉(zhuǎn)換量的數(shù)值大小落在A/D轉(zhuǎn)換線性特性區(qū)間內(nèi)，并盡可能使模擬量信號輸入采用小放大倍數(shù)，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動(dòng)地選擇合適的增益和衰減，以切換到合適的量程。量程自動(dòng)設(shè)置的方法是在采集通道中設(shè)置可變增益放大器，借助量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，控制其通斷，獲得所需的量程。