電磁流量計(jì)的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換及標(biāo)尺變換技術(shù)

智能儀表常需對(duì)外界各種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。其方法一般為：先由傳感器把外界信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電信號(hào)，然后用模數(shù)轉(zhuǎn)換器把其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。此時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換處理，如基本的標(biāo)度變換和漂移、增益誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)及量程切換(當(dāng)測(cè)量范圍較大)等∞．31，46，47．48】。智能化轉(zhuǎn)換器的噪聲處理能力強(qiáng)，在很大范圍內(nèi)測(cè)量線性度好。因此，量程轉(zhuǎn)換無須使用硬件電路。
   一、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換
   如果傳感器和顯示器的分辨率一定，而儀表的測(cè)量范圍很寬時(shí)，為了提高測(cè)量的精度，智能化測(cè)量控制儀表應(yīng)能有自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的功能。因?yàn)閷?shí)際被鍘信號(hào)需經(jīng)放大器放大后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，如果用同一增益的放大器去放大，則必然使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低。設(shè)如用lOmV及1v兩種量程測(cè)量小于10mV的同一被測(cè)信號(hào)，且其放大器的放大倍數(shù)都為lO倍，此時(shí)若放大器輸出誤差為0．5InV， 那么對(duì)lOmV檔的輸入誤差為5％，而對(duì)1V檔的誤差僅0．05％。因此，為了保證信號(hào)測(cè)量精度，要求放大器能自動(dòng)轉(zhuǎn)換增益，當(dāng)小信號(hào)時(shí)，增益自動(dòng)變大，而大信號(hào)時(shí)，增益自動(dòng)減少。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換還能防止數(shù)據(jù)溢出、電路過載，保證系統(tǒng)工作在最佳電平區(qū)域。以前的模擬儀表多采用機(jī)械開關(guān)人工自動(dòng)選擇量程，這樣使用很不方便，也容易出錯(cuò)。目前的數(shù)字儀表多采用量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在測(cè)量時(shí)， 先把量程開關(guān)置于最大處，測(cè)量結(jié)果如太小，則自動(dòng)把量程開關(guān)降低一檔，再測(cè)量，直到測(cè)出值適中或量程開關(guān)處于最小為止。在進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換時(shí)，并不要求十分精確的讀數(shù)，只要測(cè)量出輸入量的大致范圍。量程轉(zhuǎn)換倍率一般為10的倍數(shù)， 但為了便于同微機(jī)接口，提高儀器的精度，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換可采用2的倍數(shù)，其中常用的為4的倍數(shù)。因?yàn)閮x器中常用二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，使用倍率1，在改變階碼時(shí)，只需將階碼加2或減2，即可完成所需乘4或除4的運(yùn)算。同時(shí)，如倍率取得太大，在同一量程內(nèi)，小信號(hào)的有效數(shù)字將太小，會(huì)降低儀表的分辨率和精度。
   二、標(biāo)尺變換技術(shù)
   智能化測(cè)量控制儀表在讀入被測(cè)模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工作量。這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象的各種數(shù)據(jù)的量綱與A／D轉(zhuǎn)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(jīng)系統(tǒng)前置處理后所得的信號(hào)值僅對(duì)應(yīng)于被測(cè)值的大小，故必須把其轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能進(jìn)行運(yùn)算、顯示和打印輸出等處理，為此需對(duì)被測(cè)值進(jìn)行標(biāo)度變換。
   l、線性變換
   線性變換是最常用的標(biāo)度變換方法，其前提要求參數(shù)值與模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果之間關(guān)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(cè)量變換后的值，】，讎表示被測(cè)檔量程最大值，l么表示被測(cè)檔量程最小值，Ⅳ一表示J幺對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換后的輸入值，Ⅳ。表示‰對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換后的輸入值，x表示測(cè)量值y對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換值。對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，，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$Cl和SCo為多項(xiàng)式系數(shù)，$Co取決于零點(diǎn)值，SCl為擴(kuò)大因子。
   2、公式轉(zhuǎn)換法當(dāng)傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)與實(shí)際參數(shù)不是線性關(guān)系，而是由傳感器和測(cè)量方法決定的某一解析函數(shù)關(guān)系，此時(shí)標(biāo)度變換可由公式變換法獲得。例如當(dāng)用差壓變送器測(cè)流量信號(hào)時(shí)，由于壓差與流量的平方成正比，即其流量】，與經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的測(cè)量輸入值X成平方根關(guān)系。這時(shí)可采用如下公式計(jì)算：k(k一‰)．1／囂+‰ (2．3) 式中的各項(xiàng)含義同上，在實(shí)際使用時(shí)，與前面一樣，可以變換為如下計(jì)算式： Y=sc2×√。r—scj+SCo(2-4)
   3、多項(xiàng)式變換
    當(dāng)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際參數(shù)成非線性，且無法用一簡(jiǎn)單的式子來表示， 或其解析式復(fù)雜而難以滿足實(shí)時(shí)處理要求時(shí)，應(yīng)采用多項(xiàng)式法進(jìn)行非線性標(biāo)度變換。此時(shí)應(yīng)先確定多項(xiàng)式的階數(shù)N，然后選取N+1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并測(cè)出其實(shí)際參數(shù)值】】=與傳感器輸出值Xj(i=班N)，再使用插值多項(xiàng)式計(jì)算求出變換值。這種標(biāo)度變換是最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的一種非線性變換方法，適用于許多應(yīng)用場(chǎng)合。在實(shí)際使用時(shí)，還可根據(jù)需要采用二次變換，即第一次采用線性變換，其系數(shù)sc,、SCo可任意修改，以改進(jìn)傳感器或其電路的偏差，因?yàn)榧词箤?duì)兩個(gè)同型號(hào)的傳感器來說， 它們的轉(zhuǎn)換特性也可能不完全一樣，故需先修改SCl、SCo來補(bǔ)償傳感器的差異， 然后再進(jìn)行非線性標(biāo)度變換。由以上分析可知，各種標(biāo)度變換方法都有其特定的適應(yīng)條件，在滿足精度的條件下應(yīng)選擇簡(jiǎn)單的變換方法。在本項(xiàng)目中，流量計(jì)采樣得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)具有近似的線性關(guān)系，并且我們還通過非線性補(bǔ)償來滿足線性變換的條件，因此可以采用線性變換來實(shí)現(xiàn)標(biāo)度的變換。
    2．3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    通過對(duì)智能電磁流量計(jì)檢測(cè)儀表關(guān)鍵技術(shù)的分析、研究和比較，并綜合國(guó)內(nèi)外電磁流量檢測(cè)儀表產(chǎn)品智能化、繼承化、開放化的發(fā)展趨勢(shì)，我們提出了集轉(zhuǎn)換器、計(jì)算儀、RS485標(biāo)準(zhǔn)總線于一體的智能電磁流量計(jì)。其總體結(jié)構(gòu)如圖2．8： 電==爿蘭曼蘭至l 篇幅磊翮I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J 磁器辟M(fèi)CU 仁回流量傳感器仁阿磊沖=一。d 485總線接口圖2．8系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)主要由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，轉(zhuǎn)換器又包括流量轉(zhuǎn)換單元和流量積算、控制單元。其中流量轉(zhuǎn)換單元包括信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、勵(lì)磁電流發(fā)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。各單元功能如下：
   I、電磁流量傳感器：依據(jù)線性關(guān)系將導(dǎo)管內(nèi)被測(cè)流體的流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。
   2、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊：將傳感器所輸出的小電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并濾除掉與被測(cè)信號(hào)無關(guān)的干擾信號(hào)使信號(hào)純化，為A／D轉(zhuǎn)換器提供放大的模擬量。
  3、A／D模塊：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。
  4、勵(lì)磁模塊：為變送器提供勵(lì)磁電流。
  5、RS-485通信模塊：為儀表提供RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線通信接口。
  6、鍵盤控制模塊：完成儀表的參數(shù)設(shè)置和控制。
  7、液晶顯示模塊：完成儀表的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等實(shí)時(shí)顯示。
  8、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：存放流量積算后的累計(jì)流量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)正常工作所必須設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)。
  2．4本章小結(jié)
   本章通過對(duì)電磁流量計(jì)系統(tǒng)的分析、比較和論證，確定了系統(tǒng)開發(fā)所采用的方案，并對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為后面電磁流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的展開奠定了基礎(chǔ)。

本文來源：電磁流量計(jì)http://www.lcrbsl.com