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)計中采用Philips公司帶下載功能的高性能P89C51RD2單片機作為控制核心;設(shè)計了LED并配以小鍵盤構(gòu)成的便捷人機對話接口;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，各種流動介質(zhì)的計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)、能源計量管理等領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容。同時在石油化工、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)是流量計的二次儀表，它接收一次儀表、變送器的信號，進行處理和運算，并將計算的結(jié)果由顯示、控制單元進行顯示和累積。近年來生產(chǎn)的工業(yè)流量計都是由一次儀表、變送裝置及二次儀表構(gòu)成的一個流量測量系統(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)劣代表了整個流量計的質(zhì)量好壞。對于流動波動或不斷變化的各種工業(yè)流體介質(zhì)，沒有高性能、高運算精度的流量顯示控制系統(tǒng)，不可能準(zhǔn)確測量流量。

　　一個智能流量監(jiān)控系統(tǒng)就是要充分利用單片機體積小、功能強大、價格便宜、可靠性高等優(yōu)點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的一種計量系統(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償運算，并根據(jù)配接的流量傳感器類型通過良好的人機界面完成參數(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)一次儀表自動選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行運算，同時考慮工況進行補償以提高測量的精度。系統(tǒng)的整體設(shè)計思路：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)置自動選擇運算公式。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)的補償分析。

　　熱電偶測溫度及補償

　　由于在流量監(jiān)控中涉及到溫度補償，所以溫度信號也是儀表的一個重要輸入信號。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行溫度的測量。因而，在系統(tǒng)中就要對這些信號進行相應(yīng)的處理。對于熱電偶的測量，實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，因為我們采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片在基準(zhǔn)電壓為0.5V時，測量的電壓范圍為0-1 V，所以要先對大電壓信號進行相應(yīng)的衰減后才能進行有效的測量。我們所用的測量電路為圖4：

　　輸入信號處理

　　在測量流量時，各種傳感器送來的信號都要進行抗干擾處理，否則將會被噪聲信號埋沒。比如當(dāng)測量毫伏輸入信號時，如果不加處理，那么很小的幾個毫伏的信號將會被埋沒，因為A/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，多個通道共用一個放大器。信號經(jīng)放大處理后送至A/D轉(zhuǎn)換器，由于各個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，自動地選擇合適的增益和衰減，以切換到合適的量程。量程自動設(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。