電磁流量計的(de)量程自動轉換及标尺變換技術

智能儀表常需對(duì)外界各種信号進行測量。其方法一般爲：先由傳感器把外界信号轉換成相應的(de)模拟電信号，然後用(yòng)模數轉換器把其轉變爲數字信号，再由單片機進行處理(lǐ)。此時(shí)應對(duì)數據進行一定的(de)轉換處理(lǐ)，如基本的(de)标度變換和(hé)漂移、增益誤差的(de)自動校準及量程切換(當測量範圍較大(dà))等∞．31，46，47．48】。智能化(huà)轉換器的(de)噪聲處理(lǐ)能力強，在很大(dà)範圍内測量線性度好。因此，量程轉換無須使用(yòng)硬件電路。
   一、量程自動轉換
   如果傳感器和(hé)顯示器的(de)分(fēn)辨率一定，而儀表的(de)測量範圍很寬時(shí)，爲了(le)提高(gāo)測量的(de)精度，智能化(huà)測量控制儀表應能有自動轉換量程的(de)功能。因爲實際被鍘信号需經放大(dà)器放大(dà)後再進行模數轉換，如果用(yòng)同一增益的(de)放大(dà)器去放大(dà)，則必然使低電平信号測量精度降低。設如用(yòng)lOmV及1v兩種量程測量小于10mV的(de)同一被測信号，且其放大(dà)器的(de)放大(dà)倍數都爲lO倍，此時(shí)若放大(dà)器輸出誤差爲0．5InV， 那麽對(duì)lOmV檔的(de)輸入誤差爲5％，而對(duì)1V檔的(de)誤差僅0．05％。因此，爲了(le)保證信号測量精度，要求放大(dà)器能自動轉換增益，當小信号時(shí)，增益自動變大(dà)，而大(dà)信号時(shí)，增益自動減少。量程自動轉換還(hái)能防止數據溢出、電路過載，保證系統工作在最佳電平區(qū)域。以前的(de)模拟儀表多(duō)采用(yòng)機械開關人(rén)工自動選擇量程，這(zhè)樣使用(yòng)很不方便，也(yě)容易出錯。目前的(de)數字儀表多(duō)采用(yòng)量程自動轉換。在測量時(shí)， 先把量程開關置于最大(dà)處，測量結果如太小，則自動把量程開關降低一檔，再測量，直到測出值适中或量程開關處于最小爲止。在進行量程轉換時(shí)，并不要求十分(fēn)精确的(de)讀數，隻要測量出輸入量的(de)大(dà)緻範圍。量程轉換倍率一般爲10的(de)倍數， 但爲了(le)便于同微機接口，提高(gāo)儀器的(de)精度，自動量程轉換可(kě)采用(yòng)2的(de)倍數，其中常用(yòng)的(de)爲4的(de)倍數。因爲儀器中常用(yòng)二進制浮點數運算(suàn)，使用(yòng)倍率1，在改變階碼時(shí)，隻需将階碼加2或減2，即可(kě)完成所需乘4或除4的(de)運算(suàn)。同時(shí)，如倍率取得(de)太大(dà)，在同一量程内，小信号的(de)有效數字将太小，會降低儀表的(de)分(fēn)辨率和(hé)精度。
   二、标尺變換技術
   智能化(huà)測量控制儀表在讀入被測模拟信号并轉換成數字量後，往往要轉換成操作人(rén)員(yuán)所熟悉的(de)工作量。這(zhè)是因爲被測對(duì)象的(de)各種數據的(de)量綱與A／D轉換的(de)輸入值是不一樣的(de)。例如，溫度的(de)單位是oc，壓力的(de)單位爲隻，流量的(de)單位爲所3／i, 等，而經系統前置處理(lǐ)後所得(de)的(de)信号值僅對(duì)應于被測值的(de)大(dà)小，故必須把其轉換成帶有量綱的(de)數值後才能進行運算(suàn)、顯示和(hé)打印輸出等處理(lǐ)，爲此需對(duì)被測值進行标度變換。
   l、線性變換
   線性變換是最常用(yòng)的(de)标度變換方法，其前提要求參數值與模數轉換結果之間關系是線性的(de)。變換公式爲： Y=(1意一】幺)(x一Ⅳ曲)／(Ⅳ。一Ⅳm)+J麓(2-1) 其中，y表示被測量變換後的(de)值，】，雠表示被測檔量程最大(dà)值，l麽表示被測檔量程最小值，Ⅳ一表示J幺對(duì)應的(de)模數轉換後的(de)輸入值，Ⅳ。表示‰對(duì)應的(de)模數轉換後的(de)輸入值，x表示測量值y對(duì)應的(de)模數轉換值。對(duì)一個(gè)實際系統，，r眦、，幺、Ⅳ一、^r曲一般都爲己知的(de)，故上式可(kě)以變換成如下(xià)形式： Y=SCl·X+SCo (2-2) 式中$Cl和(hé)SCo爲多(duō)項式系數，$Co取決于零點值，SCl爲擴大(dà)因子。
   2、公式轉換法當傳感器測出的(de)數據與實際參數不是線性關系，而是由傳感器和(hé)測量方法決定的(de)某一解析函數關系，此時(shí)标度變換可(kě)由公式變換法獲得(de)。例如當用(yòng)差壓變送器測流量信号時(shí)，由于壓差與流量的(de)平方成正比，即其流量】，與經過模數轉換後的(de)測量輸入值X成平方根關系。這(zhè)時(shí)可(kě)采用(yòng)如下(xià)公式計算(suàn)：k(k一‰)．1／嚣+‰ (2．3) 式中的(de)各項含義同上，在實際使用(yòng)時(shí)，與前面一樣，可(kě)以變換爲如下(xià)計算(suàn)式： Y=sc2×√。r—scj+SCo(2-4)
   3、多(duō)項式變換
    當傳感器測得(de)的(de)數據與實際參數成非線性，且無法用(yòng)一簡單的(de)式子來(lái)表示， 或其解析式複雜(zá)而難以滿足實時(shí)處理(lǐ)要求時(shí)，應采用(yòng)多(duō)項式法進行非線性标度變換。此時(shí)應先确定多(duō)項式的(de)階數N，然後選取N+1個(gè)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(yòng)插值多(duō)項式計算(suàn)求出變換值。這(zhè)種标度變換是最簡單、最實用(yòng)的(de)一種非線性變換方法，适用(yòng)于許多(duō)應用(yòng)場(chǎng)合。在實際使用(yòng)時(shí)，還(hái)可(kě)根據需要采用(yòng)二次變換，即第一次采用(yòng)線性變換，其系數sc,、SCo可(kě)任意修改，以改進傳感器或其電路的(de)偏差，因爲即使對(duì)兩個(gè)同型号的(de)傳感器來(lái)說， 它們的(de)轉換特性也(yě)可(kě)能不完全一樣，故需先修改SCl、SCo來(lái)補償傳感器的(de)差異， 然後再進行非線性标度變換。由以上分(fēn)析可(kě)知，各種标度變換方法都有其特定的(de)适應條件，在滿足精度的(de)條件下(xià)應選擇簡單的(de)變換方法。在本項目中，流量計采樣得(de)到的(de)數據與實際數據具有近似的(de)線性關系，并且我們還(hái)通(tōng)過非線性補償來(lái)滿足線性變換的(de)條件，因此可(kě)以采用(yòng)線性變換來(lái)實現标度的(de)變換。
    2．3系統總體結構設計
    通(tōng)過對(duì)智能電磁流量計檢測儀表關鍵技術的(de)分(fēn)析、研究和(hé)比較，并綜合國内外電磁流量檢測儀表産品智能化(huà)、繼承化(huà)、開放化(huà)的(de)發展趨勢，我們提出了(le)集轉換器、計算(suàn)儀、RS485标準總線于一體的(de)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(hé)轉換器組成，轉換器又包括流量轉換單元和(hé)流量積算(suàn)、控制單元。其中流量轉換單元包括信号轉換模塊、A／D轉換模塊、勵磁電流發生模塊；流量積算(suàn)、控制單元包括RS-485通(tōng)信接口、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊和(hé)數據存儲模塊。各單元功能如下(xià)：
   I、電磁流量傳感器：依據線性關系将導管内被測流體的(de)流量信号轉換成相應的(de)電壓信号。
   2、信号轉換模塊：将傳感器所輸出的(de)小電壓信号進行放大(dà)，并濾除掉與被測信号無關的(de)幹擾信号使信号純化(huà)，爲A／D轉換器提供放大(dà)的(de)模拟量。
  3、A／D模塊：将模拟量轉換成數字量提供給單片機進行處理(lǐ)。
  4、勵磁模塊：爲變送器提供勵磁電流。
  5、RS-485通(tōng)信模塊：爲儀表提供RS-485标準總線通(tōng)信接口。
  6、鍵盤控制模塊：完成儀表的(de)參數設置和(hé)控制。
  7、液晶顯示模塊：完成儀表的(de)瞬時(shí)流量、累計流量等實時(shí)顯示。
  8、數據存儲模塊：存放流量積算(suàn)後的(de)累計流量數據以及系統正常工作所必須設置的(de)各項參數。
  2．4本章(zhāng)小結
   本章(zhāng)通(tōng)過對(duì)電磁流量計系統的(de)分(fēn)析、比較和(hé)論證，确定了(le)系統開發所采用(yòng)的(de)方案，并對(duì)系統的(de)總體結構進行了(le)設計。爲後面電磁流量計系統設計工作的(de)展開奠定了(le)基礎。

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