CN103199801B - 带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法，包括整形放大电路、信号输入处理单元、NXP51系列单片机、输出信号处理单元。传感器线圈感应出磁通交变信号，产生交变感应电势，即电脉冲信号，经整形、放大电路后，再依次经过信号输入处理单元、NXP51系列单片机、输出信号处理单元后输出。非线性补偿功能全部在前置放大器中完成，不改变在显示（积算）仪表中置入的原平均仪表系数；也不改变显示（积算）仪表对瞬时流量和累积流量的计算方法，增加了通用性。本发明的前置放大器使涡轮流量传感器测量精度提高至±0.5%～1%以内，并且量程范围扩大到10:1～20:1，从而克服了涡轮流量计在小流量测量时，非线性误差大的问题。

Description

带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法

技术领域

本发明涉及一种放大器，特别涉及一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法。

背景技术

涡轮流量传感器用于流体流量测量，由叶轮、磁钢线圈、前置放大器等组成。目前涡轮流量传感器的流量测量机理是：涡轮流量传感器安装在被测流量的管道中,流动的流体使叶轮旋转；磁钢线圈产生磁场，而叶轮旋转切割磁力线，这样，线圈的磁通量发生周期性的变化，从而产生交变感应电势，即电脉冲信号，此输出的电脉冲信号经过前置放大器放大、整形,产生有一定幅度的、连续的矩形波脉冲信号。脉冲信号再传至显示仪表,经计算，显示被测流体的瞬时流量和累积流量。

显示仪表根据前置放大器输出的脉冲信号频率，得到被测流体流量：

（1）

为涡轮流量传感器量程范围内的平均仪表系数，表示单位体积的流量经过涡轮流量传感器时，传感器输出的脉冲数，由以下公式计算：

（2）

式中，K _max， K _min分别为n个标定点中，仪表系数的最大值和最小值。

传感器的非线性误差和重复性误差分别按以下公式计算：

（3）

（4）

目前，涡轮流量传感器的重复性一般可以做到万分之几，而非线性误差一般为±1%～±1.5%，量程为6：1。小流量时，涡轮流量传感器的非线性误差则很大。因此，涡轮流量传感器只能测量q-K特性曲线中近似直线的一段，限制了流量测量的精度和流量测量范围。

发明内容

本发明是针对涡轮流量传感器中仪表系数的非线性而产生的非线性误差的问题，提出了一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法，实时修正非线性误差，扩大涡轮流量传感器量程，提高流量测量精确度。

本发明的技术方案为：一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器，包括整形放大电路、信号输入处理单元、NXP51系列单片机、输出信号处理单元，传感器线圈感应出磁通交变信号，产生交变感应电势，即电脉冲信号，经整形放大电路后，依次经过信号输入处理单元、NXP51系列单片机、输出信号处理单元后输出。

一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器补偿方法，包括带补偿功能的涡轮流量传感器前置放大器，包括如下步骤：

1）NXP51系列单片机根据n个标定点（f _i,K _i,i=1,2,…,n）可以得到(n-1)条直线，第i（i=1,2,3…n-1）段的仪表系数K直线方程为：

f _i， K _i _分别为第i流量标定点时，涡轮流量传感器的输出频率和对应的仪表系数，测得的脉冲频率f除以经上式计算得到的仪表系数K,就可以得到经非线性补偿后的流量q ₀：

输出经补偿后的脉冲频率f _out为：

式中，f为传感器检测到的频率；

为补偿量程范围内的平均仪表系数，，

式中，K _max， K _min分别为补偿量程范围内的n点标定点中，仪表系数的最大值和最小值，形成检测的传感器频率f与补偿后脉冲频率f _out对照表；

2）传感器线圈感应出磁通交变信号，产生交变感应电势，即电脉冲信号，经整形、放大电路；信号输入处理单元，再输入NXP51系列单片机，NXP51系列单片机采集到输入脉冲频率，判断输入频率是否在补偿范围内，如是，则根据步骤1）所得表查出对应的补偿后脉冲频率f _out，通过输出信号处理单元输出；如不是，则将采集到的输入脉冲信号直接输出到输出信号处理单元后输出。

本发明的有益效果在于：本发明带补偿的涡轮流量传感器前置放大器及补偿方法，非线性补偿功能全部在前置放大器中完成，不改变在显示（积算）仪表中置入的原平均仪表系数；也不改变显示（积算）仪表对瞬时流量和累积流量的计算方法，增加了通用性。本发明前置放大器使涡轮流量传感器测量精度提高至±0.5%～1%以内，并且量程范围扩大到10:1～20:1，克服了小流量测量时，涡轮流量计非线性误差大的问题。

附图说明

图1为本发明带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器电路原理图；

图2为本发明NXP51单片机主程序流程图；

图3为本发明脉冲采集与补偿中断服务程序流程图；

图４为本发明补偿脉冲输出中断服务程序流程图。

具体实施方式

如图１所示为带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器电路原理图，所述带非线性补偿功能的涡轮流量传感器前置放大器电路包括：信号输入处理单元1、NXP51系列单片机2、输出信号处理单元3。信号输入处理单元1处理P口输入的脉冲信号，对该信号做限幅、滤波、整形处理。输出信号处理单元3处理Pout口的输出脉冲信号，对该信号进行放大、整形。输入处理单元1连接到NXP51系列单片机2，再通过输出信号处理单元3输出。传统的涡轮流量传感器前置放大器只对输入脉冲进行整形和放大。带非线性补偿功能的涡轮流量传感器前置放大器在传统前置放大器基础上，添加了一块智能芯片。带非线性补偿功能的涡轮流量传感器前置放大器不仅对线圈感应到的电脉冲信号进行整形和放大，还对采集的脉冲进行智能非线性补偿运算。图1中，P端的输入信号为传统前置放大器的输出信号，即放大整形后的电脉冲信号，P_out端为带非线性补偿功能的涡轮流量传感器前置放大器的输出端，输出信号用于显示仪表的输入信号，以显示瞬时流量和积算累积流量。

带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器控制包括输入脉冲频率检测、非线性补偿、脉冲输出。补偿算法为分段线性补偿法，其软件实现采用查表法，表格为补偿后的脉冲频率。补偿后的脉冲频率计算方法为：根据n个标定点（f _i,K _i,i=1,2,…,n）可以得到(n-1)条直线，用这(n-1)条直线来逼近实际的K-f曲线。第i（i=1,2,3…n-1）段的直线方程为：

（5）

测得的脉冲频率f除以经上式计算得到的仪表系数K,就可以得到经非线性补偿后的流量q′：

（6）

结合（5）式和（6）式，带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器输出经补偿后的脉冲频率f _out为：

（7）

式中，f为传感器检测到的频率；f _out_为带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器输出频率，f _i， K _i _分别为第i流量标定点时，涡轮流量传感器的输出频率和对应的仪表系数；_为量程范围内的平均仪表系数，由（2）式计算得到。

如图2所示为本发明NXP51单片机主程序流程图，所述的主程序包括单片机相关寄存器的初始化4、脉冲采集5、等待实时时钟中断6，以及脉冲采集与补偿中断服务程序。单片机初始化1完成单片机端口设置、定时器/计数器0和1工作方式以及初始值设置、实时时钟定时初始值设置等。脉冲采集2启动实时时钟和计数器C0，开始计数由脉冲输入单元输入的脉冲，等待实时时钟中断6。当实时时钟产生中断请求时，即执行中断服务程序。中断服务程序执行输入脉冲的采集、比较采集脉冲是否在补偿范围内，以及完成脉冲的非线性补偿。

如图3为本发明中脉冲采集和补偿中断服务程序流程图，所述的脉冲采集和补偿中断服务程序包括采集脉冲频率保存7、计算和查表修正8、定时器T1定时初值计算9、实时时钟再赋初值10。采集脉冲频率保存7保存计数器C0的寄存器值。计算和查表修正8首先判断采集的脉冲频率是否在补偿范围内，若采集的频率在补偿范围内，则通过查表得到补偿后的输出脉冲频率；否则，输出脉冲频率等于采集的输入频率。定时器T1定时初值计算9，根据补偿后输出脉冲频率，计算定时器T1的定时初值。同时，计数器C0清0，赋初值10再次对和实时时钟赋初值。

如图4为本发明补偿后的脉冲输出中断服务程序流程图，所述的补偿脉冲输出中断服务程序包括I/O口取反11、赋初值12。实现脉冲输出的方法为：定时器T1的定时时间为输出脉冲周期的一半，然后在T1的中断服务程序中取反I/O口。取反后，重新再给T1赋初值，以输出连续的方波。

Claims (2)

1.一种带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器，其特征在于，包括整形放大电路、信号输入处理单元、NXP51系列单片机、输出信号处理单元,传感器线圈感应出磁通交变信号，产生交变感应电势，先经过整形放大电路后，送入信号输入处理单元，信号输入处理单元对信号做限幅、滤波、整形处理后，再送入NXP51系列单片机进行非线性补偿运算，再通过输出信号处理单元输出。

2.根据权利要求1所述带非线性补偿的涡轮流量传感器前置放大器的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)NXP51系列单片机根据n个标定点(f_i,K_i,i＝1,2,…,n)可以得到(n-1)条直线，第i(i＝1,2,3…n-1)段的仪表系数K直线方程为：

$K=\frac{K_{i+1}-K_i}{f_{i+1}-f_i}\×(f-f_i)+K_i$

f_i，K_i分别为第i流量标定点的涡轮流量传感器的输出频率和对应的仪表系数，测得的脉冲频率f除以经上式计算得到的仪表系数K,就可以得到经非线性补偿后的流量q₀为：

$q_0=\frac{f}{K}$

输出经补偿后的脉冲频率f_out为：

$f_{out}=\stackrel{\‾}{K}f\×\[\frac{f_{i+1}-f_i}{(f-f_i)(K_{i+1}-K_i)+K_i(f_{i+1}-f_i)}\]$

式中，f为传感器检测到的频率；

为补偿量程范围内的平均仪表系数，

式中，K_max，K_min分别为补偿量程范围内的n点标定点中，仪表系数的最大值和最小值，形成检测的传感器频率f与补偿后脉冲频率f_out对照表；

2)传感器线圈感应出磁通交变信号，产生交变感应电势，即电脉冲信号，经整形放大电路、信号输入处理单元后送入NXP51系列单片机，NXP51系列单片机计算得到输入频率，判断输入频率是否在补偿范围内，如是，则根据步骤1)所得表查出对应的补偿后脉冲频率f_out，通过输出信号处理单元输出；如不是，则将计算出的输入频率直接输出到输出信号处理单元后输出。