浅析基于DSP的数字式科氏质量流量变送器的设计

引言

科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)可以直接测量流体的质量流量，同时还可测体积流量、密度、温度，测量精度高，可测量流体范围广，具有广阔的应用前景。

目前，国内科氏流量计大都采用基于模拟电路的信号处理方式，驱动电路亦是采用纯模拟电路实现。传统模拟信号处理方法易受噪声干扰，小流量测量精度低，限制了量程比;对于复杂流体(如两相流、批料流)场合，模拟驱动无法维持流量管振动，导致无法测量。

如何提高变送器的抗干扰能力、提高小流量的测量精度，以及如何改善变送器的驱动性能，在两相流下维持流量管振动，是目前国内科氏流量计发展所需迫切解决的难题。为此，我们研制了基于DSP的数字式科氏质量流量变送器，将数字信号处理方法和数字驱动方法相结合应用于科氏流量计，提高科氏变送器的流量测量精度，改善了变送器的驱动性能[1]。

系统硬件方案

系统硬件由信号调理电路、ADC、DSP及外扩存储器、驱动电路、温度补偿电路、LCD显示、键盘、SCI、4～20mA电流输出、脉冲输出等模块组成[3] ，如图1所示。

信号调理与采集

科氏变送器通过测量两路信号的时间差来计算流量，并且两路信号时间差非常小，因此，设计出两路结构对称、性能稳定、温漂小的高精度信号调理采集电路，是保证测量精度的前提条件。

DSP芯片

采用TI C2000系列高端浮点DSP TMS320F28335，主频150MHz，带浮点核，片上外设资源丰富，集成了eCAN、SCI、SPI、McBSP、ePWM、I2C、ADC等。DSP负责系统全局控制和运算，主要包括：(1)采集两路传感器信号，计算信号频率和相位差，进而计算质量流量;(2)检测流体温度，进行温度补偿;(3)控制驱动电路，提供正确的驱动信号维持流量管振动;(4)将测量值在LCD上实时显示，并通过SCI向上位机上传，最后以4～20mA模拟量和脉冲的形式输出流量值。

存储器扩展

为满足大量数据存储及掉电时需保存各仪表参数的需求，系统外扩了一片128 kB SARAM和512 B 的铁电M(FM)存储器。

驱动模块

科氏流量计的测量是建立在振动基础上的，对振动的控制在科氏流量计中处于重要地位，是产生精确测量数据的基础。传统模拟驱动方法简单、容易实现，硬件电路不需要DSP进行控制，但启动时间长、不能适用于两相流/批量流的实际应用场合等。数字驱动方法中，DSP实时跟踪传感器信号变化，并采用先进的算法对驱动信号进行灵活控制，大大改善驱动系统的动态性能。

温度补偿电路

传感器流量管表面贴有温度电阻Pt100，以恒定的微小电流流过Pt100，将Pt100的电阻信号转换为电压信号，由ADC采样转换为数字量送入DSP。