電磁流量計的量程自動轉換及標尺變換技術

電磁流量計的量程自動轉換及標尺變換技術
    智能儀表常需對外界各種信號進行測量。其方法一般為：先由傳感器把外界信號轉換成相應的模擬電信號，然后用模數轉換器把其轉變為數字信號，再由單片機進行處理。此時應對數據進行一定的轉換處理，如基本的標度變換和漂移、增益誤差的自動校準及量程切換(當測量范圍較大)等∞．31，46，47．48】。智能化轉換器的噪聲處理能力強，在很大范圍內測量線性度好。因此，量程轉換無須使用硬件電路。
   一、量程自動轉換
   如果傳感器和顯示器的分辨率一定，而儀表的測量范圍很寬時，為了提高測量的精度，智能化測量控制儀表應能有自動轉換量程的功能。因為實際被鍘信號需經放大器放大后再進行模數轉換，如果用同一增益的放大器去放大，則必然使低電平信號測量精度降低。設如用lOmV及1v兩種量程測量小于10mV的同一被測信號，且其放大器的放大倍數都為lO倍，此時若放大器輸出誤差為0．5InV， 那么對lOmV檔的輸入誤差為5％，而對1V檔的誤差僅0．05％。因此，為了保證信號測量精度，要求放大器能自動轉換增益，當小信號時，增益自動變大，而大信號時，增益自動減少。量程自動轉換還能防止數據溢出、電路過載，保證系統工作在電平區域。以前的模擬儀表多采用機械開關人工自動選擇量程，這樣使用很不方便，也容易出錯。目前的數字儀表多采用量程自動轉換。在測量時， 先把量程開關置于處，測量結果如太小，則自動把量程開關降低一檔，再測量，直到測出值適中或量程開關處于最小為止。在進行量程轉換時，并不要求十分精確的讀數，只要測量出輸入量的大致范圍。量程轉換倍率一般為10的倍數， 但為了便于同微機接口，提高儀器的精度，自動量程轉換可采用2的倍數，其中常用的為4的倍數。因為儀器中常用二進制浮點數運算，使用倍率1，在改變階碼時，只需將階碼加2或減2，即可完成所需乘4或除4的運算。同時，如倍率取得太大，在同一量程內，小信號的有效數字將太小，會降低儀表的分辨率和精度。
   二、標尺變換技術
   智能化測量控制儀表在讀入被測模擬信號并轉換成數字量后，往往要轉換成操作人員所熟悉的工作量。這是因為被測對象的各種數據的量綱與A／D轉換的輸入值是不一樣的。例如，溫度的單位是oc，壓力的單位為只，流量的單位為所3／i, 等，而經系統前置處理后所得的信號值僅對應于被測值的大小，故必須把其轉換成帶有量綱的數值后才能進行運算、顯示和打印輸出等處理，為此需對被測值進行標度變換。
   l、線性變換
   線性變換是的標度變換方法，其前提要求參數值與模數轉換結果之間關系是線性的。變換公式為： Y=(1意一】幺)(x一Ⅳ曲)／(Ⅳ。一Ⅳm)+J麓(2-1) 其中，y表示被測量變換后的值，】，讎表示被測檔量程值，l么表示被測檔量程最小值，Ⅳ一表示J幺對應的模數轉換后的輸入值，Ⅳ。表示‰對應的模數轉換后的輸入值，x表示測量值y對應的模數轉換值。對一個實際系統，，r眥、，幺、Ⅳ一、^r曲一般都為己知的，故上式可以變換成如下形式： Y=SCl·X+SCo (2-2) 式中$Cl和SCo為多項式系數，$Co取決于零點值，SCl為擴大因子。
   2、公式轉換法當傳感器測出的數據與實際參數不是線性關系，而是由傳感器和測量方法決定的某一解析函數關系，此時標度變換可由公式變換法獲得。例如當用差壓變送器測流量信號時，由于壓差與流量的平方成正比，即其流量】，與經過模數轉換后的測量輸入值X成平方根關系。這時可采用如下公式計算：k(k一‰)．1／囂+‰ (2．3) 式中的各項含義同上，在實際使用時，與前面一樣，可以變換為如下計算式： Y=sc2×√。r—scj+SCo(2-4)
   3、多項式變換
    當傳感器測得的數據與實際參數成非線性，且無法用一簡單的式子來表示， 或其解析式復雜而難以滿足實時處理要求時，應采用多項式法進行非線性標度變換。此時應先確定多項式的階數N，然后選取N+1個測量點，并測出其實際參數值】】=與傳感器輸出值Xj(i=班N)，再使用插值多項式計算求出變換值。這種標度變換是、的一種非線性變換方法，適用于許多應用場合。在實際使用時，還可根據需要采用二次變換，即次采用線性變換，其系數sc,、SCo可任意修改，以改進傳感器或其電路的偏差，因為即使對兩個同型號的傳感器來說， 它們的轉換特性也可能不*一樣，故需先修改SCl、SCo來補償傳感器的差異， 然后再進行非線性標度變換。由以上分析可知，各種標度變換方法都有其特定的適應條件，在滿足精度的條件下應選擇簡單的變換方法。在本項目中，流量計采樣得到的數據與實際數據具有近似的線性關系，并且我們還通過非線性補償來滿足線性變換的條件，因此可以采用線性變換來實現標度的變換。
    2．3系統總體結構設計
    通過對智能電磁流量計檢測儀表關鍵技術的分析、研究和比較，并綜合國內外電磁流量檢測儀表產品智能化、繼承化、開放化的發展趨勢，我們提出了集轉換器、計算儀、RS485標準總線于一體的智能電磁流量計。其總體結構如圖2．8： 電==爿蘭曼蘭至l 篇幅磊翮I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J 磁器辟MCU 仁回流量傳感器仁阿磊沖=一。d 485總線接口圖2．8系統總體結構
    系統主要由電磁流量傳感器和轉換器組成，轉換器又包括流量轉換單元和流量積算、控制單元。其中流量轉換單元包括信號轉換模塊、A／D轉換模塊、勵磁電流發生模塊；流量積算、控制單元包括RS-485通信接口、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊和數據存儲模塊。各單元功能如下：
   I、電磁流量傳感器：依據線性關系將導管內被測流體的流量信號轉換成相應的電壓信號。
   2、信號轉換模塊：將傳感器所輸出的小電壓信號進行放大，并濾除掉與被測信號無關的干擾信號使信號純化，為A／D轉換器提供放大的模擬量。
  3、A／D模塊：將模擬量轉換成數字量提供給單片機進行處理。
  4、勵磁模塊：為變送器提供勵磁電流。
  5、RS-485通信模塊：為儀表提供RS-485標準總線通信接口。
  6、鍵盤控制模塊：完成儀表的參數設置和控制。
  7、液晶顯示模塊：完成儀表的瞬時流量、累計流量等實時顯示。
  8、數據存儲模塊：存放流量積算后的累計流量數據以及系統正常工作所必須設置的各項參數。
  2．4本章小結
   本章通過對V錐流量計系統的分析、比較和論證，確定了系統開發所采用的方案，并對系統的總體結構進行了設計。為后面電磁流量計系統設計工作的展開奠定了基礎。