高性能低功耗涡街流量积算仪的实现

　　涡街流量测量的基本原理是:在与被测介质流向垂直的方向放置一漩涡发生体,当流体流过该漩涡发生体时,在发生体后方两侧交替地分离释放出两列规则的交错排列的漩涡,称为冯·卡尔曼涡街,在旋涡发生体内部安装的应力式压电传感器,就可以产生电荷信号。电荷的变化频率与漩涡的脱离频率一致。通过检测压电传感器输出信号的变化频率,就可以得到漩涡的分离频率。通过检测频率便得到流量。由于涡街传感器是无源器件,加上超低功耗产品的出现,使得低功耗流量计设计成为可能。

　　一般低功耗仪表的最低要求是4~20 mA环路供电,则仪表必须保证4 mA供电,若考虑10%波动,则要保证仪表在不高于3. 6 mA供电的情况下能正常工作,这样低功耗设计是关键和难点。如果前端信号处理电路所需的供电电流为2 mA左右,那么二次积算显示仪表不能超过1. 6 mA。文献[3]中利用TI公司超低功耗芯片MSP430F1121设计,仪表正常工作电流为750μA(主晶振频率为32. 768 kHz);文献[2]中利用微芯公司低功耗芯片PIC16LC67设计,仪表正常工作电流为1. 495 mA(主晶振频率为32. 768 kHz)。他们所设计仪表的功耗均达到要求。然而,他们主要是通过降低主晶振频率(均采用32.768 kHz)和选择低功耗芯片来达到低功耗,通过试用存在一系列问题,如仪表计算速度特别慢,反应迟钝,尤其是键盘响应慢,设置参数耗时,显示频率不能迅速跟踪现场信号频率等。本研究针对上述问题从既满足低功耗,同时保证相当反应速度的角度出发,实现了一种高性能低功耗流量积算仪。通过芯片对比,选择具有纳瓦技术模式的PIC单片机PIC16F88作为主芯片,在主晶振频率200 kHz下实现综合性能良好的流量积算仪。

　　1　仪表工作原理和功能

　　涡街传感器信号频率范围一般在0. 5~2 500 Hz,二次仪表通过测量信号频率计算流体的流量,保存并显示瞬时流量和累计流量,由于本积算仪要应用于不同介质(气体、液体等)场合,需要进行参数设置,所以要设计按键、通信等人机接口。瞬时流量计算公式如下Q =P×F /U式中,Q为瞬时流量值;P为与密度有关的系数,范围为0.05~20,可设定;F为频率(0.5~2 500 Hz);U为仪表系数(范围为0. 005~30 000),通过设定修改仪表系数,既满足精确积算、显示流量,同时可借之在现场修正,更改单位等,大大扩大了仪表的匹配功能。

　　本仪表主要由DC-DC电源模块、MCU处理器、LCD显示模块组成。采用MCU捕捉功能实现对涡街传感器模块输出的方波脉冲频率信号进行采集,通过测量脉冲上升沿之间的时间得到频率值,处理后再根据用户要求通过计算动态显示频率与流量。测量过程见软件设计部分,每2 s积算一次频率和流量,每4 s保存一次累计流量(可保存2~6个月)。较某些传统的二次仪表每10 min保存一次累计流量,大大克服了仪表停电造成累计流量值不准的缺点。