楊云濤，向 忠，吳學(xué)進(jìn)，胡旭東

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

基于ZigBee的智能壓差式液體密度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊云濤，向 忠，吳學(xué)進(jìn)，胡旭東

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

傳統(tǒng)的密度計(jì)常采用的4～20 mA電流輸出或有線RS232/485串口通訊距離較短，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)少和前期布線與后期系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)過(guò)程繁瑣。文中設(shè)計(jì)了一種帶有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能壓差式液體密度計(jì)，采用兩個(gè)獨(dú)立的壓力傳感器取代傳統(tǒng)的壓力探頭的測(cè)量方案和引入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能，使得密度計(jì)具有通訊距離遠(yuǎn)、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)多等特點(diǎn)。

壓差式密度計(jì)；ZigBee；MSP430F149

0 引 言

目前，我國(guó)石油化工、造紙、食品加工、紡織印染等行業(yè)測(cè)量液體介質(zhì)的密度多采用壓差式液體密度計(jì)。傳統(tǒng)的壓差式液體密度計(jì)的壓力感應(yīng)部分由兩個(gè)壓力探頭和一個(gè)敏感元件組成，敏感元件多為電容式的。王海群等［1］設(shè)計(jì)了一種電容式差壓變送器用于重介選煤過(guò)程中介質(zhì)密度的檢測(cè)，利用經(jīng)驗(yàn)公式補(bǔ)償后精度可達(dá)0.2級(jí)，并輸出4～20 mA電流信號(hào)，供上位機(jī)使用，但這種密度計(jì)測(cè)量時(shí)需要將導(dǎo)管中充滿硅油來(lái)進(jìn)行壓力傳導(dǎo)，可靠性不高，導(dǎo)管中的空氣難以完全排除，殘留的空氣對(duì)測(cè)量精度有影響；管文劍等［2］采用CCPS32陶瓷電容壓力傳感器取代電容式壓差傳感器，在測(cè)量鉆井泥漿密度時(shí)精度可達(dá)0.2級(jí)，輸出4～20 mA。這種有線傳輸距離較短，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)少和前期布線與后期系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)過(guò)程繁瑣；董方武［3］將ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在電化學(xué)堿液濃度傳感器中，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中成功取代有線傳輸方式。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種帶有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的智能壓差式液體密度計(jì)的設(shè)計(jì)方案。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)省去了鋪設(shè)各種通信線路帶來(lái)的麻煩，支持節(jié)點(diǎn)達(dá)65535，提高了通訊的可靠性，用戶只需要在無(wú)線接收端通過(guò)串口的方式與PLC或者其他控制器相連即可得到密度信號(hào)。

1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)流體靜力學(xué)原理，在流速恒定的液體中，垂直高度的兩點(diǎn)間的壓強(qiáng)差為一定值。假定在垂直管道上高度分別為H1、H2點(diǎn)處測(cè)得的壓力為P1、P2，根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得管道內(nèi)液體密度可表達(dá)成：

其中ρ為待測(cè)量液體密度，g為重力加速度。令H1-H2=h，P1-P2=ΔP，則待測(cè)液體密度：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要包括Keller10LD表壓20 kPa擴(kuò)散硅OEM壓力敏感芯體；信號(hào)調(diào)理電路AD7794采集垂直管道的高低位壓力信號(hào)；通過(guò)單片機(jī)與一線制溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，用于壓力傳感器的溫度補(bǔ)償；ZigBee模塊CC2531組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，將采集的溫度、密度信號(hào)用遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送到無(wú)線接收模塊；RS485接口電路為預(yù)留接口，可在短距離傳輸時(shí)使用；兩級(jí)穩(wěn)壓的電源處理方案將既可以提高供電效率，又可滿足紋波電壓小的要求；EEPROM以及按鍵實(shí)現(xiàn)密度計(jì)的自動(dòng)調(diào)零功能。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

AD7794是內(nèi)部自帶低噪聲可編程增益儀表放大器的低功耗、低噪聲，完整模擬前端［4］。AD7794開啟緩沖工作模式，以適應(yīng)模擬輸入引腳上的R-C濾波器網(wǎng)絡(luò)的阻抗。IOUT1和IOUT2引腳給兩個(gè)壓力傳感器提供兩路1 m A恒流源，采樣的參考電壓采用內(nèi)部1.17 V的基準(zhǔn)電壓。SCLK，DIN，DOUT/RDY，CS引腳為SPI串行接口，RDY，CS為低電平有效。

根據(jù)AD7794內(nèi)部?jī)x表放大器的增益和模擬輸入范圍的關(guān)系，當(dāng)下方的壓力芯體輸出電壓超過(guò)9.14 mV時(shí)，密度計(jì)將達(dá)到滿量程。由密度公式計(jì)算得到密度計(jì)的測(cè)量范圍是0～2 g/cm3。

ZigBee模塊選用TI公司最新一代的ZigBee無(wú)線射頻單片機(jī)CC2531，其與MSP430F149的USART1模塊（P3.7和P3.6）相連的引腳是UART1模塊的收發(fā)引腳P1.6和P1.7。

將系統(tǒng)的電源采用模擬電源和數(shù)字電源分離的方式設(shè)計(jì)。采用了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器相結(jié)合的方法［5］實(shí)現(xiàn)將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供的24 V常見(jiàn)電源變成3.3 V低電壓電源。

在定期地給密度計(jì)調(diào)零時(shí)，測(cè)得新的零點(diǎn)漂移值刷新舊值［6］。單片機(jī)在上電復(fù)位后將EEPROM中的零點(diǎn)漂移值讀出，每測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)都減去零點(diǎn)補(bǔ)償值即可。這樣就可以實(shí)時(shí)地更新零點(diǎn)漂移值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)零位。LCD選用1602液晶將作為溫度、電壓、密度測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示終端。

3 壓差式液體密度計(jì)的溫度補(bǔ)償

3.1 壓力信號(hào)的溫度補(bǔ)償

壓差式密度計(jì)使用了兩個(gè)獨(dú)立的壓力傳感器來(lái)取代傳統(tǒng)的壓力探頭，在理想狀態(tài)下，由壓力傳感器基本原理可知，電壓輸出信號(hào)與外界施加的壓力是成線性關(guān)系的，但是存在環(huán)境溫度的影響，壓力傳感器的輸出電壓會(huì)隨著溫度漂移。密度計(jì)量程0～2 g/cm3，根據(jù)測(cè)量管尺寸：下方壓力探頭距液面高度為0.7 m，如圖2為瑞士Keller10LD擴(kuò)散硅OEM壓力芯體輸出特性曲線。

圖2 瑞士Keller10LD擴(kuò)散硅OEM壓力芯體輸出特性曲線

壓力芯體一般是在n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度T，m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力Pi（i=1，2，…，m）下進(jìn)行標(biāo)定［7］，得到n×m組標(biāo)定點(diǎn).基于標(biāo)定過(guò)程得到的壓力傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（T，Pi，Ui），其中Ui為與被測(cè)壓力對(duì)應(yīng)的輸出電壓，利用最小二乘法和拉格朗日插值相結(jié)合的算法求得三者之間的函數(shù)關(guān)系如下：

壓力芯體的溫度補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)步驟［8-9］如下：

a）固定溫度T不變，對(duì)壓力P和電壓U進(jìn)行曲線擬合，得到兩者關(guān)系曲線：P=f（U）。n組溫度標(biāo)定點(diǎn)將會(huì)得到n條這樣的曲線，二次曲線擬合可通過(guò)在MATLAB中編程實(shí)現(xiàn)；

b）實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，將測(cè)得的電壓U分別代人P=f（U）中，可以求出在n組標(biāo)定溫度下的壓力值；

c）對(duì)上述壓力值和標(biāo)定溫度進(jìn)行拉格朗日插值，得到壓力P和溫度T、電壓U的關(guān)系曲線P=f（U，T）；

d）將溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值T代人上述曲線，即可得到經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)膲毫χ怠?/p>

3.2 密度的溫度補(bǔ)償

由公式（2）可知，壓力隨著環(huán)境溫度漂移時(shí)也必定會(huì)影響到密度值的測(cè)量，因此，從壓力的補(bǔ)償模型可以推導(dǎo)出密度的補(bǔ)償模型。

兩個(gè)壓力芯體的壓力差與輸出的電壓差之間的關(guān)系：

那么，采用與壓力溫度補(bǔ)償相同的方法可以得到：

而ΔP與密度關(guān)系是成線性關(guān)系的，所以得出密度的補(bǔ)償模型：

在對(duì)兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，密度補(bǔ)償公式為：

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件如圖3，其分為兩大部分：采集模塊程序設(shè)計(jì)和ZigBee模塊程序設(shè)計(jì)。采集模塊程序在MSP430F149中運(yùn)行，主要功能是壓力、溫度信號(hào)的采集，傳感器調(diào)零，密度軟件補(bǔ)償；ZigBee模塊程序運(yùn)行在CC2531中，主要包括Z-Stack 2007協(xié)議棧的移植，串口無(wú)線傳輸。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

4.1 采集模塊程序設(shè)計(jì)

采集模塊程序分為三部分：監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、串口程序。監(jiān)控程序主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)置，軟硬件初始化，傳感器調(diào)零，以及在液晶屏上顯示測(cè)量參數(shù)，協(xié)調(diào)和引導(dǎo)壓差式密度計(jì)進(jìn)入工作狀態(tài)；在密度計(jì)開始工作之后，數(shù)據(jù)采集與處理程序?qū)⒁来瓮瓿森h(huán)境溫度的測(cè)量，通道1的低壓壓力信號(hào)，通道2的高壓壓力信號(hào)。最后，利用溫度補(bǔ)償模型折算出液體密度；MSP430F149將采集到的溫度和經(jīng)過(guò)算法處理后的密度值經(jīng)過(guò)串口模塊UART1發(fā)送給CC2531。

采集模塊程序流程如圖4?？紤]到智能壓差式密度計(jì)中單片機(jī)讀取的參數(shù)較多，各個(gè)量的實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，還涉及到與外部?jī)蓚€(gè)設(shè)備之間的通信。因此，在密度計(jì)進(jìn)入工作模式時(shí)，設(shè)置其主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK，以及子系統(tǒng)SMCLK均為8MKZ，以提高運(yùn)算速度。系統(tǒng)初始化主要是MSP430單片機(jī)的UART模塊和SPI模塊的初始化。SPI模塊的初始化主要完成AD7794內(nèi)部多個(gè)寄存器的配置。

4.2 ZigBee模塊程序設(shè)計(jì)

ZigBee模塊程序基于TI的Z-Stack2007協(xié)議棧，對(duì)應(yīng)的開發(fā)環(huán)境為IAR7.60。Z-Stack2007協(xié)議棧是ZigBee眾多協(xié)議中的一種半開源實(shí)現(xiàn)。TI公司免費(fèi)向用戶提供Z-Stack2007協(xié)議棧的開發(fā)模板Generic App，借助該模板可實(shí)現(xiàn)無(wú)線透明傳輸。

智能壓差式液體密度計(jì)作為終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)建立，終端節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。由于測(cè)試實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，智能壓差式密度計(jì)加入網(wǎng)絡(luò)后將與協(xié)調(diào)器以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（或廣播）的方式進(jìn)行無(wú)線透明傳輸。

在無(wú)線透明傳輸應(yīng)用中，壓差式密度計(jì)的采集模塊MSP430F149將測(cè)量參數(shù)密度和溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee模塊CC2531，ZigBee模塊以無(wú)線方式編碼發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器模塊接收到傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無(wú)線信號(hào)后進(jìn)行解碼，把解碼后的數(shù)據(jù)再通過(guò)串口發(fā)送PC機(jī)顯示，ZigBee模塊程序流程如圖5。

圖4 采集模塊程序流程

圖5 ZigBee模塊程序流程

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

圖6為實(shí)驗(yàn)研制的智能壓差式密度計(jì)樣機(jī)。在液體密度測(cè)量試驗(yàn)中，針對(duì)待測(cè)液食鹽水進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)得到兩組數(shù)據(jù)：第一組數(shù)據(jù)是18℃時(shí)食鹽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第二組數(shù)據(jù)是16℃時(shí)食鹽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果分別為表1和表2所示。表中的參考值是由稱重法測(cè)得的。所用設(shè)備是精度為0.1 g的電子秤，以及大容量的溶杯。測(cè)量參考值時(shí)，每次選取體積為1.25 L的待測(cè)液，經(jīng)過(guò)電子秤稱重后，計(jì)算出待測(cè)液的參考密度；測(cè)量值是分別根據(jù)相應(yīng)溫度下密度補(bǔ)償模型公式（7），將溫度值和測(cè)量的電壓差代入公式，得到密度的測(cè)量值如表1和表2所示。

圖6 智能壓差式密度計(jì)樣機(jī)

表1 18℃時(shí)食鹽水密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 16℃時(shí)食鹽水密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出本文的研制智能壓差式液體密度計(jì)的相對(duì)誤差最大值為2.42%，相對(duì)于滿量程的綜合誤差ξ由如下公式求得：

式中，Δρmax為補(bǔ)償誤差最大值，ρFS為壓差式密度計(jì)的量程。

非線性誤差最大不超過(guò)1.35%。在圖7曲線中加壓、減壓的輸出-輸入正反行程曲線重合得很好，幾乎分辨不出加壓、減壓曲線印跡，正反行程最大差值為0.011，遲滯誤差小于0.55%。

圖7 密度計(jì)減壓和加壓過(guò)程對(duì)比

在通訊試驗(yàn)中，當(dāng)密度計(jì)測(cè)量到待測(cè)液的密度和環(huán)境溫度后，傳感節(jié)點(diǎn)將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將接收數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)中顯示，試驗(yàn)結(jié)果表明接收穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的密度計(jì)在壓差量程0～14 kPa內(nèi)，量程為0～2 g/cm3，精度是0.027 0 g/cm3，相對(duì)誤差不超過(guò)2.42%，非線性誤差不超過(guò)1.35%，遲滯誤差小于0.55%。在增加適量的溫度補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，密度計(jì)的性能指標(biāo)還會(huì)有較大提高，這對(duì)于解決高精度密度測(cè)量具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

［1］王海群，曹 義，張玉貴，等.差壓式重介煤漿密度計(jì)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.礦山機(jī)械，2011，2（39）：109-111.

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Design and Realization of lntelligent Differential Pressure Type Liquid Density Meter Based on ZigBee

YANG Yun-tao，XIANGZhong，WU Xue-jin，HU Xu-dong
（School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Traditional density meters often use 4～20 mA current output or wired RS232/485 serial port which involves a short communication distance，a few network nodes and complicated wiring process in the earlier stage and complex system updating and maintenance process in the later stage.This paper designs an intelligent differential pressure liquid density meter with ZigBee wireless network communication function，replaces the traditional measurement program of pressure probe with two independent pressure sensors and introduces ZigBee wireless network function，making this density meter characterized by long communication distance，low cost，strong real-time capability and many network nodes etc.

pressure gradient；liquid densimeter；ZigBee；MSP430F149

TH715.2

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0029-06

2013-04-24

浙江理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金（1003836-Y）；浙江省科技廳公益性項(xiàng)目（2012C21011）

楊云濤（1986-），男，湖北鄂州人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)化儀表方面的研究。

向 忠，E-mail：xz@zstu.edu.cn