鉴相式超风波风速变送器设计资料 -

标题: 鉴相式超风波风速变送器设计资料 [打印本页]

作者: 就觉得记得记 时间: 2021-2-23 20:55
标题: 鉴相式超风波风速变送器设计资料
风速测量方法中超声波测量法摈弃了其他风速测量方法必须要求启动风速、响应速度慢、精度低、测量范围窄的缺点，成为当前较流行的风速测量法。本设计依据声波的振动特性、方向性等特性结合传播媒介的运动学分析，一方面选择更为合理的三角形传感器配置方式，另一方面在传统的时差风速测量法基础上，提出一种快速、稳定、价格低廉的相位差风速测量方案。该变送器以单片机(MSP430)为控制核心，实现了风速的高精度、宽范围、非接触式实时测量，适用于一般风速测量场合。

本项目将在以下几方面进行研究：
1. 超声波传感器配置形式研究。传感器的配置方式直接影响着测量准确度。选择一种好的传感器配置方式对有效降低环境因素的负面影响，提高超声波风速测量的可靠性具有重要意义。
2. 检相式时差测量模块设计。时间差的测量是实现风速测量的关键，直接决定测量精度。相位差法是将时间差转换为相位差后进行测量，其原理较简单，且电路成本较低，测量精度取决于检相精度。
3. 温度对风速测量的零点、灵敏度影响分析及温度补偿技术，风速、温度、相位关系研究及数学模型建立。
4. 以TI公司的16位单片机MSP430F2274作为核心处理器，进行温度采集模块、数码管显示模块、数据存储模块、串口通信模块、标准输出模块和报警模块等设计，完成信号放大、数字滤波处理、风速计算等。

超声波风速测量利用了风速对超声波传播速度或方向偏移的影响实现风速测量，具有环境适应性强、测量范围宽、性价比高等优点，是目前风速、流量、浓度检测研究的重要方向。
方案一：采用 X法(交叉法)或者V法(反射法)。X法原理是采用两对超声波探头(每对包含一个发射头和一个接收头)，两对探头的声程交叉，风从此交叉范围内通过。V法原理是采用一对探头和一个表面光滑、介质常数很高的反射板，风从反射路径覆盖的范围通过。
方案二：采用等腰三角形配置方案。采用一只发射传感器,两只接收传感器。发射探头位于三角形顶角，两接收探头分别位于两底角，组成锐角等腰三角形而不是等边三角形，以使得声程稍长从而获得较高的测量精度。

操作人员在出厂之前需要对仪器进行标定，这个出厂标定通过红外线遥控器完成。当MCU检测到有遥控器信号时，当信号指令是“标定”，则进行相应的标定操作。记录标定值指的是把放大电路的输出电压通过MCU内部的ADC模块转换为数字量，存储至Flash存储器。
本变送器红外遥控模块设置以下按键功能：零点标定键、灵敏度标定键、+设置键、-设置键、确认键、复位键。图16为标定程序流程图。标定过程如下：


图16  标定程序流程图

1. 零点标定。变送器置于无风空气中，按零点标定键一次，指示灯常亮后按确认键，即可把当前状态记忆为零点标定值，设置内容可永久断电保持，直至下次更改生效为止。
2. 灵敏度标定。使用风洞进行标定。(1)变送器置于风洞中，使风洞中产生XX.Xm/s的风速，信号稳定后按“灵敏度标定键”一次。这时数码管显示之前设定的灵敏度标定点1的风速设定值，如果与当前风洞中产生XX.X m/s的风速值不符，可通过“+设置键”或“-设置键”调整标定风速值。“+设置键”和“-设置键”只要按下一次即可，设置值将自动以约每秒1次的速度变化(每次变化0.1m/s),当显示值与当前风洞中产生XX.Xm/s的风速值相符后立即按“确认键”，把当前状态记忆为灵敏度标定点1风速值，然后返回到正常工作状态。设置内容可永久断电保持，直到下次更改生效为止。(2)变送器置于风洞中，使风洞中产生YY.Ym/s的风速，信号稳定后按“灵敏度标定键”一次。其他操作同标定点1的操作。注：XX.X < YY.Y，且YY.Y应尽量接近测量范围的上限。若偶然出现不必要的操作可按下复位键取消当前错误操作。
4.4 软件可靠性的设计
随着单片机实用系统越来越复杂，工作环境的干扰也越来越严重。而对环境恶劣的工业现场，大量的干扰源有时虽然不会造成单片机系统硬件的破坏，却常常会侵入系统破坏数字信号的时序，更改单片机寄存器内容，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入死循环。因此，要保证新型微控制器的可靠性、安全性，就必须在提高硬件可靠性的基础上，在程序设计中采取措施，通过软件技术增强系统的稳定运行能力。本仪器在软件抗干扰设计时采取三种办法：指令冗余设计、软件陷阱设计、程序监视定时器设计。
指令冗余就是在程序关键的地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写。它是使程序从“乱飞”状态恢复正常的一种有效措施，其前提条件要求PC指针必须指向程序运行区，且必须执行到冗余指令。
正常情况下CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当指令计数器PC受到干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“乱飞”，导致CPU把一些操作数当作操作码来执行，从而引起整个程序的混乱。
软件陷阱设计是指利用“程序口令+软件陷阱”确保PC指针不被弹飞。方法如下：
1. 程序必须模块化。每一个模块（子程序）执行一个能力。每个模块只有一个出口(RET)。
2. 设立一个模块（子程序）ID寄存器。
3. 为每个子程序配置唯一的一个ID号码。
4. 每当子程序执行完毕。要返回(RET)之前，先将本子程序的ID号送入ID寄存器。
5. 返回到上一级程序后，先判断ID寄存器中的ID号。如果正确，则继续执行；如果不正确，则表示PC指针有可能跳错了，子程序没有按照预计的出口返回，这时将程序拦截初始化段或程序错误处理段。
这种方法如同在程序中设立了若干个岗哨，每次调用子程序返回后，需要对口令(ID)验证身份再放行。再配合软件陷阱，可以将绝大多数PC指针弹飞的现象监测到并加以有效处理。
程序监视定时器设计是指利用WDT（程序监视定时器，俗称看门狗）通过监视程序运行状态，判断程序是否进入死循环或出现程序跑飞现象，进而强迫程序回到复位状态。一方而可通过硬件电路实现，称为硬件WDT，另一方而可设置软件“监视跟踪定时器”实现，也就是软件WDT技术。
在干扰不是特别严重、程序发生跑飞，控制字完好无损的情况下，软件WDT溢出可将跑飞的程序截回，转而执行查错程序数据备份修复等相应的程序，然后进入主程序。如果数据得到了很好修复，就可以接着跑飞时处理的事件继续运行。
5. 系统创新
本设计的创新点在于：采用高速逻辑电路设计精确检相模块，得到的信号相位差稳定性高、时滞小，与采用CPLD技术的时差测量法相比精度得到较大提高，同时大大降低了仪器成本；设计了相位电压转换模块，使得相位信号精确地转换为模拟电压信号，并能通过MSP430单片机进行数字处理，与采用CPLD技术的时差测量法相比分辨率得到较大提高；系统配备温度补偿传感模块，很好地解决了温度对风速、超声波传输速度的影响，加强了仪器的可靠性和应用范围。
测试设备：Fluke示波器、风扇、遥控器
测试结果：经测试，风速变送器信号模拟处理部分的两路输出信号在示波器上有明显相位差，并且随风速加大，相位差增大，经粗略估算，达到预期效果，但本测试精度较低，需专业风洞实验室进一步验证。图17为实验室测试期间的变送器。

图17实验室测试期间的变送器
2．风洞实验室
测试时间：2011-12
测试地点：黑龙江科技学院风洞实验室
测试设备：吸风式风机，P=4kW，转速=3000r/min；
测试结果：经专业风洞实验室测试，本风速变送器能够在定向风场中稳定工作，具有较好的抗振动性能，测量结果与标准风速值比较后得出以下结论：本变送器测量精度高、反应速度快，LED显示结果稳定，达到预期目标。
6.2 结论
本设计利用声波的振动特性、方向性等特性结合传播媒介的运动学分析，一方面选择更为合理的三角形传感器配置方式，另一方面在传统的时差风速测量法基础上，提出一种快速、稳定、价格低廉的相位差风速测量方案。本设计的变送器以单片机(MSP430)为控制核心，实现了风速的高精度、宽范围、非接触式实时测量，适用于一般风速测量场合。
随着更加深入的测试以及在实践中的应用，我们将完善设计，提高可靠性，降低成本，使该鉴相式超声波风速变送器成为一个成熟的产品。
经过试验验证，本设计能够获得以下技术数据：
1. 能够测量0~40m/s的风速，分辨率可到到0.01m/s；
2. 使用前的标定、调零等工作可通过遥控器完成，方便使用与安装；
3. 传感器结构尺寸小，单边约80mm；
4. 整机不单独开孔，不包含滑动变阻器，抗震性能好；
5. 响应速度快，相对于CPLD技术的风速仪而言性价比更高。

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