流量计系列产品
 
 

一种低功耗的电磁涡街流量计

发布时间:2017-11-11
 

摘要:为了使涡街流量计适用于电池供电的系统,并能够用于低流量测量。采用电磁法检测涡街频率,并选择诸如MSP430单片机等微功耗芯片,结合软硬件技术,经过不断测试和改进,设计出一种功耗低、量程宽、精度高的电磁涡街流量计。现场测试结果表明流量计达到了B级水表的测量范围和精度要求,系统消耗电流不超过100μA,是一种理想的节能仪表。
涡街流量计具有量程宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小、计量精度较高等优点。特别是在很宽的范围内,它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关,已广泛应用于工业过程中的流量测量。到目前为止,人们己经开发出热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等多种类型的涡街传感器。本文采用电磁法检测涡街频率,电磁涡街流量计除了一般涡街流量计所具有的优点外,还可以消除三维方向上的振动干扰,并具有很好的抗电磁干扰能力。
为了拓宽流量计的应用场合,使其能够在野外、农田等环境中长时间工作,整个系统采用3.6V锂电池供电。因此,降低功耗成为本测量系统的设计宗旨,设计时从硬件、软件两方面入手考虑降低功耗的方法。
涡街信号在低流量的情况下表现为低强度、低频率,所以低流量下信号的测量是设计中的一个难点。通过选择性能优越的运算放大器和对放大电路的不断改进,100mm口径的流量计可以测出1.2m3/h的低流量,超过了B级水表的量程范围;流量1.2m3/h时,累积流量测量精度为1%,远远超过B级水表的精度。
1、电磁涡街流量计的工作原理
涡街流量计是根据卡门涡街原理来进行流量测量的。在流动的液体中插入一个非流线型柱状物(如三角形柱体或梯形柱体)即漩涡发生体,流体在一定的雷诺数范围内于漩涡发生体下游处会产生两列不对称且又有规律的漩涡。漩涡分离的频率和流体流速之间呈下列关系:

式中:f为漩涡分离频率,Hz;V1为漩涡发生体两侧流体的平均流速,m/s;b为漩涡发生体迎流面的最大宽度,m;St为斯特劳哈尔数。当雷诺数ReD≥2×10^4时,漩涡发生体和管径尺寸确定后,是一个无量纲常数,则流体的平均流速与漩涡分离频率f成正比。通过测得分离频率f即可求得流体的平均流速V1,由V1即可求得流体的体积流量Q,Q与f之间呈线性关系。
电磁法检测技术是利用导体和磁场发生相对运动时,在导体两端产生感应电动势的原理,把被测量转换成电量的技术。图1给出了电磁涡街流量计的原理。

磁通是恒定的,两列漩涡不断地交变出现,以不同方向切割磁感线,在电极间产生交变电动势。交变电动势变化的频率即为漩涡的频率。因此,只要测出电极输出交变电动势变化的频率,就可以知道流体的体积流量。该检测方式要求流体有一定的导电性。
2、硬件电路设计
完成同样的功能,电路的实现形式有多种。通常,使用的元器件的数量越少,系统的可靠性越高,因此,尽量使用集成度高的器件,减少电路中使用元件的个数。硬件电路设计框图如图2所示。

2.1放大整形电路
信号放大整形电路的作用是把传感器送来的涡街电脉冲信号转换成标准方波脉冲信号。由于传感器输出的信号比较微弱,为满足后续处理电路的要求,需要较大的放大倍数,故采用了多级放大电路。对该环节的运算放大器和比较器的选取都非常讲究,因为要满足低功耗要求,且各个性能指标(带宽、共模抑制比、失调电流电压)须满足放大电路要求。
放大电路所用的运算放大器选用了TI公司生产的MAX479,它是单电源、低电压、超低功耗运算放大器,具有标准管脚配置,非常适合于低功耗应用场合。
整形电路通过比较器来产生规则的方波信号。在整形电路中,比较器选用了Maxim公司生产的MAX919。它属于超低功耗比较器。
2.2单片机选择
在硬件设计时,需要根据流量仪表整体性能的要求来选择适当型号的单片机。本测量系统进行的数学运算并不是很多,整套仪表侧重于降低功耗、提高运行速度。因此,选用了TI公司生产的MSP430F44X作为本测量系统的CPU。
TI先进的CMOS技术使芯片具有很宽的性能范围和很低的工作电流。由于采用全静态CMOS设计,电源操作能耗很低,但非常可靠。MSP430有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4),而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的超低功耗性能在实际应用中,尤其是在电池供电的设备中表现尤为突出。系统在初始化后进入待机模式,当有允许的中断请求时,CPU将在6μs的时间内被唤醒,进入活动模式,执行中断服务程序。执行完毕,并且在RETI指令之后,系统返回到中断前的状态,继续低功耗模式。
MSP430F447单片机引进了“用户可选择振荡器”的新设计概念,它允许用户在3种振荡器工作方式(分别为带锁频环的内部DCO振荡器、外部高频震荡器XT2、外部低频震荡器LFXT1)中选择一种振荡器形式让芯片执行指令,以优化系统的功耗。在本测量系统中,为了提高可靠性和降低系统功耗,选择了带锁频环的内部DCO振荡器和外部LFXT1相结合的方式。通常情况下使系统进入低功耗模式3,仅让外部LFXT1工作以提供实时时钟。当有中断发生时,唤醒带锁频环的高速内部DCO振荡器,让其处理发生的事件,处理完后再进入低功耗模式。
单片机内部除了具备32 k位的Flash ROM、1 k位的数据RAM和大量的I/O口外,它还有定时/计数器模块、同步串行口SPI模块等等。在本测量系统中,利用定时器的比较捕获功能,非常方便地测量涡街信号的频率。
单片机内部集成强大的液晶驱动器,可驱动160段之多。这为流速和流量的显示提供了很大的方便,无需再外加液晶驱动电路,既降低了功耗,又方便了设计。
2.3EEPROM掉电存储模块
流量仪表有一些需要长期保存的参数,这些参数有的是设计系统时写入的,有的是由操作者在现场设定的,如多段非线性补偿端点值、上下限报警值;有些参数很重要,要求即使掉电也不能丢失,如累积流量值。能够灵活而又可靠地处理这些参数是现代智能仪表的基本要求,而这些功能通常是由EEPROM存储器来完成的。MSP430F447内部没有数据EEPROM,因此需要外接EEPROM芯片。
在本测量系统中,存储芯片选用了Atmel公司生产的24WC02。它是低电压、串行I2C总线形式的EE-PROM。EEPROM的电源由微处理器的I/O管脚控制,可以方便地进行开关,达到低功耗要求。
2.4通信模块
流量仪表的实时流量、累计流量等参数有时需要远传。基于通信性能和功耗的考虑,本系统中选用了RS2485通信。芯片选用了Maxim公司生产的MAX3485,它是低电压、低功耗的单双工RS2485通信芯片。MAX3485的电源由微处理器的I/O管脚控制,以方便地进行开关,达到低功耗要求。
3、系统软件设计
由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差,采用汇编语言编写单片机应用系统,不但周期长,而且调试和排错也比较困难。为了提高编制单片机应用程序的效率,改善程序的可读性和可移植性,这里采用C语言。C语言既具有一般高级语言的特点,又能直接对计算机的硬件进行操作,表达和运算能力也较强。
从结构上看,本测量系统的软件由系统初始化程序、μC/OS-Ⅱ操作系统内核程序、各子任务程序模块、捕获比较中断服务子程序、键盘中断服务子程序等中断驱动程序和其它辅助程序组成。
MSP430F447有多种低功耗的工作模式,如果在任务调度的空闲时间,使CPU进入一种合适的低功耗模式,就能大幅度降低系统功耗。
利用μC/OS-Ⅱ中空闲任务的扩展接口,使系统在空闲状态下进入某种低功耗模式,降低系统功耗;同时利用RTI信号作为时钟节拍,周期性地唤醒CPU。CPU被唤醒之后,将执行节拍中断服务程序,重新判断是否有任务处于就绪态。如果有,就执行该任务,如果没有,则重复上面的过程。
根据系统需要,本测量系统中选用LPM3低功耗模式。处于LPM3模式时处理器内部状态如下:CPU处于禁止状态,DCO被禁止,直流发生器被禁止,MCLK被禁止,SMCLK被禁止,ACLK仍保持活动。此时的电流消耗很低,即使液晶模块工作,在3V供电电压下Icc≤8μA。
毫无疑问,使CPU进入低功耗模式会减弱系统的实时性。这种减弱来自于两个方面:一是使中断响应时间变长;二是使响应的时间变得不易预测。但MSP430独到的技术使得这一问题迎刃而解。MSP430F447在进入低功耗模式LPM3后,ACLK仍保持工作,以驱动系统的实时时钟。任何中断都可以在6μs内将CPU唤醒,先进的锁频环技术使高速时钟在很短的时间内就能稳定下来,及时地处理突发事件。
数据采集部分的设计需根据实际情况,不能只顾提高采样率。因为模数转换时功耗较大,过大的采样速率不仅功耗大,而且为了传输处理大量的冗余数据,也会额外消耗CPU的时间和功耗。
虽然通过对放大电路的改进,可以采集到低流量的信号,但此时信号的非线性比较严重,偶尔会出现峰值缺陷的现象,需要一定的算法进行修正。在精度允许的情况下,使用简单函数代替复杂函数作近似,也可以减少功耗。
4、现场性能测试结果
4.1低流量下的频率信号
测试现场系统运行于100mm口径,当流体为自来水的情况下,不同流量下的频率信号波形如图3所示。图3(a)为在1.2m3/h流量下信号放大电路的输出波形,虽然不是很稳定,但是已经可以读出频率信号;图3(b)为在1.5m3/h流量下的输出波形;图3(c)为在1.8m3/h流量下的输出波形。随着流量的增大,波形趋于稳定,流量增大到1.8m3/h时,信号已经非常稳定。

4.2功耗的测试
表1为系统运行于现场的功耗数据记录。由表1可见,在整个量程范围内,电流都在100μA以下,实现了整个系统的低功耗。

5、结束语
本文设计了基于MSP430芯片的低功耗电磁流量计,并进行了现场测试。测试结果表明本流量计完全适用于低功耗低流量的测量环境。在流量计运行于常用流量段时(100mm口径,60m3/h),系统总电流为60μA。按此推算,一节3600mA·h的锂电池理论上可供系统至少使用2年之久。由于流量计的测量下限达到1.2m3/h,所以流量计的量程比可以达到100:1,实现了低功耗、宽量程的设计目标。