摘要:本(běn)文設計(jì)了一種(zhǒng)配置微(wēi)處理器(qì)的通用(yòng)型智能(neng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計 ,該(gai)流量計(jì)可靈活(huó)地計算(suàn)、修正流(liu)量,并通(tōng)過參數(shu)配置,實(shi)現不同(tong)介質及(jí)工況條(tiao)件下的(de)流量測(cè)量，爲石(shí)化、造紙(zhǐ)、化工等(deng)行業同(tóng)一管道(dao)傳輸不(bú)同種類(lei)或工況(kuang)介質的(de)流量測(cè)量提供(gòng)了解決(jué)方案。
0引(yin)言
　　 浮子(zǐ)流量計(jì) 安裝方(fāng)便、堅固(gu)可靠、耐(nài)高溫高(gāo)壓,廣泛(fàn)應用于(yú)液體、氣(qì)體、蒸汽(qì)等介質(zhi)流量的(de)測量和(hé)自動控(kong)制系統(tong)，特别适(shì)合于精(jīng)細化工(gōng)、化肥、石(shí)化.乙烯(xī)、冶金、造(zào)紙等行(háng)業的高(gao)溫高壓(yā)、易燃易(yi)爆、強腐(fǔ)蝕介質(zhi)的測量(liang)過程。
 
　　傳(chuán)統的機(jī)械式金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)計,由于(yú)其局限(xiàn)性,無法(fǎ)進行流(liú)量的正(zhèng)确計量(liàng)。即便是(shi)改進型(xíng)的機械(xiè)式金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji),用凸輪(lún)闆和轉(zhuan)角變送(sòng)器進行(hang)修正，雖(suī)能提高(gāo)精度,但(dàn)凸輪闆(pan)的加工(gōng)需要考(kao)慮不同(tong)測量介(jie)質及工(gong)況條件(jian),且機加(jia)工的複(fú)雜度高(gao),流量計(ji)量的精(jing)度仍受(shou)到加工(gōng)精度的(de)限制。因(yīn)此,設計(ji)了一種(zhong)可以通(tong)過微處(chù)理器靈(ling)活配置(zhi)參數、适(shì)應不同(tóng)測量介(jiè)質和工(gōng)況條件(jiàn)的通用(yòng)型智能(neng)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計,其(qí)結構如(rú)圖1所示(shi)。通過自(zì)行設計(jì)的角位(wèi)移傳感(gǎn)器将浮(fú)子位置(zhì)的變化(hua)轉換爲(wèi)反映角(jiǎo)度變化(hua)的電信(xin)号,利用(yong)程序預(yu)設的數(shu)字模型(xíng)進行流(liú)量計算(suan)，克服了(le)凸輪式(shi)機械結(jié)構進行(háng)流量計(jì)算固有(you)的弊端(duan)。
1通用型(xing)智能金(jin)屬浮子(zǐ)流量計(jì)設計
　　本(běn)文開發(fa)了一種(zhong)人機界(jiè)面友好(hao),具有流(liú)量自動(dong)修正功(gōng)能,廣泛(fàn)适用于(yu)液體、氣(qì)體及不(bu)同工況(kuàng)條件的(de)通用型(xing)智能金(jin)屬管浮(fu)子流量(liàng)計。
1.1配置(zhì)參數設(shè)計
　　爲提(ti)高計算(suan)精度,靈(líng)活進行(hang)參數配(pèi)置以适(shì)應不同(tóng)工況條(tiao)件,将配(pei)置參數(shù)分爲内(nèi)部和外(wai)部參數(shu)兩類。
1.1.1内(nei)部參數(shù)配置
　　内(nei)部參數(shù)包括浮(fu)子密度(dù)、口徑、測(ce)量介質(zhi)種類、測(ce)量範圍(wéi)以及本(ben)機儀表(biǎo)系數,由(yóu)配置軟(ruǎn)件在出(chū)廠标定(ding)時設置(zhi)。該軟件(jian)運行于(yú)Windows平台,将(jiang)浮子标(biāo)定過程(cheng)與内部(bù)參數配(pei)置融合(hé)爲一體(tǐ),其工作(zuo)過程如(rú)下:
(1)設定(dìng)編号、口(kǒu)徑、标定(ding)點數、浮(fú)子密度(dù)和測量(liàng)介質，爲(wei)方便使(shǐ)用,可選(xuan)是否正(zhèng)反行程(chéng)标定;
(2)選(xuǎn)擇測量(liàng)範圍;
(3)開(kai)始實際(ji)标定,産(chǎn)生角位(wei)移傳感(gan)器輸出(chū)電壓與(yǔ)标定點(diǎn)流量的(de)對應列(liè)表;
(4)自動(dòng)進行數(shu)據拟合(he),計算本(běn)機儀表(biǎo)系數,并(bìng)将内部(bu)參數寫(xiě)入浮子(zi)流量計(ji)。
　　計算機(ji)與智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計通(tōng)訊采用(yong)異步串(chuan)行通訊(xùn)方式,由(you)于通用(yòng)串行通(tōng)訊協議(yi)較複雜(za),因此,自(zi)定義了(le)一種簡(jiǎn)化通訊(xùn)協議,其(qí)幀格式(shi)爲:
幀首(shǒu)　方向标(biāo)志　命令(lìng)　數據　校(xiào)驗　幀尾(wei)
　　 其中方(fāng)向标志(zhi)表示數(shu)據的傳(chuán)送方向(xiàng)。“>”爲下行(háng)标志(0x3E),表(biao)示數據(ju)由計算(suàn)機發送(sòng)到智能(néng)浮子流(liu)量計;“<”爲(wèi).上行标(biao)志(0x3C),表示(shi)數據由(you)智能浮(fu)子流量(liàng)計發送(sòng)到計算(suan)機。
　　 根據(jù)功能的(de)不同,設(shè)計8種通(tōng)訊幀,其(qi)中下行(hang)幀5種，分(fèn)别爲電(diàn)壓采集(jí)幀、寫配(pèi)置參數(shu)幀、讀配(pèi)置參數(shù)幀、寫産(chǎn)品标識(shi)幀和讀(du)産品标(biao)識幀;上(shàng)行幀3種(zhong),分别爲(wèi)電壓上(shang)傳幀、配(pei)置參數(shu).上傳幀(zhēn)和産品(pǐn)标識上(shang)傳幀。下(xià)行幀包(bāo)括命令(lìng)标志,上(shang)行幀省(shěng)略命令(lìng)标志。
1.1.2外(wài)部參數(shù)設置
　　 外(wài)部參數(shu)包括被(bei)測介質(zhi)密度、顯(xian)示精度(dù)、顯示單(dan)位和滿(man)量程流(liú)量,當測(cè)量介質(zhi)爲氣體(ti)時，還需(xu)設置工(gōng)況溫度(du)和工況(kuang)壓力。外(wài)部參數(shu)可由用(yòng)戶在使(shǐ)用過程(chéng)中通過(guò)3個按.鍵(jian)(功能鍵(jian)<F>、累加鍵(jian)<↑>和移動(dòng)鍵<→>)設置(zhi),因此,當(dang)管道中(zhong)的測量(liang)介質和(he)工祝條(tiáo)件發生(shēng)變化時(shí),用戶通(tong)過改變(bian)其參數(shù)即可保(bǎo)證測量(liang)的精度(du)，且顯示(shì)和輸出(chu)與當前(qian)的實際(jì)流量相(xiang)對應。
　　 通(tōng)過内部(bù)參數與(yu)外部參(can)數配合(he)使用,實(shi)現了該(gai)儀表生(shēng)産過程(chéng)與使用(yòng)過程的(de)通用性(xìng)。
1.2硬件設(shè)計
　　 硬件(jian)結構如(rú)圖2所示(shi),浮子的(de)位置變(biàn)化通過(guò)擺杆變(biàn)爲角度(dù)變化後(hòu)，由電容(rong)角位移(yi)傳感器(qi)轉換爲(wei)電壓信(xìn)号,微處(chù)理器通(tong)過内部(bu)集成的(de)A/D轉換器(qì)将該信(xìn)号變爲(wèi)數字量(liang)進行流(liú)量計算(suàn)并累計(jì),将計算(suàn)結果送(sòng)液晶顯(xian)示器顯(xian)示,并通(tong)過控制(zhì)PWM輸出,将(jiang)當前瞬(shun)時流量(liang)以4~20mA二線(xiàn)制方式(shì)遠傳;鍵(jiàn)盤用于(yu)外部參(can)數設置(zhì);數字通(tōng)訊接口(kou)與計算(suan)機連接(jiē)進行内(nèi)部參數(shu)設置。
 
1.21電(diàn)容角位(wei)移傳感(gan)器設計(jì)
　　 根據浮(fú)子行程(chéng)和擺杆(gan)長度,可(kě)确定最(zui)大轉角(jiǎo)爲30°,因此(ci)設計了(le)如圖3所(suǒ)示的電(diàn)容敏感(gǎn)元件,其(qí)測量角(jiǎo)位移範(fàn)圍0~45*12]1,爲了(le)減少電(diàn)場邊緣(yuan)效應影(yǐng)響,實際(jì)使用中(zhong),電容敏(min)感元件(jian)控制在(zai)5~35*變化範(fàn)圍。
 
　　 電容(rong)測量電(dian)路基于(yu)充放電(diàn)原理,該(gai)電路具(jù)有抗寄(ji)生電容(rong)、雜散電(diàn)容等分(fen)布電容(róng)特性。圖(tú)4爲電容(róng)測量電(diàn)路示意(yì)圖,Vc爲充(chong)電電壓(yā)，開關K1、K2、K3、K4受(shou)時鍾脈(mò)沖控制(zhì)。一個完(wán)整的測(ce)量過程(chéng)包括充(chong)放電兩(liǎng)個周期(qī):K1與K2導通(tong),K3與K4關斷(duan)爲充電(dian)狀态,将(jiang)被測電(dian)容G充電(diàn)到Vc;K1與K2關(guan)斷,K3與K4導(dǎo)通爲放(fang)電狀态(tai),被測電(diàn)容中的(de)電荷由(you)電荷檢(jiǎn)測器檢(jiǎn)出,輸出(chū)正比于(yu)被測電(diàn)容的電(dian)壓信号(hào)V0
 
1.22輸出設(shè)備設計(ji)
　　輸出設(shè)備包括(kuò)顯示輸(shū)出和模(mo)拟傳輸(shū)出部分(fèn)。
　　雙排液(yè)晶作爲(wèi)顯示輸(shū)出設備(bei),通過rC總(zong)線接收(shōu)微處理(lǐ)器發送(sòng)的命令(lìng)和數據(jù),同時顯(xiǎn)示瞬時(shí)流量和(hé)累計流(liu)量。
　　模拟(ni)遠傳模(mo)塊通過(guò)PWM脈寬調(diao)制完成(chéng)。微處理(li)器根據(jù)設置的(de)滿度流(liú)量和計(ji)算的瞬(shun)時流量(liang),調制輸(shu)出脈沖(chong)的占空(kong)比,通過(guo)濾波電(diàn)路轉換(huàn)爲正比(bǐ)于瞬時(shí)流量的(de)電壓值(zhi),并經過(guò)電壓/電(dian)流轉換(huàn)接口電(diàn)路,變成(cheng)4~20mA電流信(xin)号實現(xian)遠傳。
1.3軟(ruǎn)件設計(ji)
　　軟件采(cǎi)用模塊(kuài)化設計(ji),按功能(néng)分爲4部(bu)分:輸入(rù)、輸出、流(liú)量計算(suàn)和數字(zi)通訊,各(ge)部分根(gēn)據具體(ti)情況細(xì)分爲多(duō)個模塊(kuai)，完成相(xiàng)應功能(neng)，如圖5所(suǒ)示。
 
　　AD轉換(huàn)器采集(jí)角位移(yí)傳感器(qì)輸出電(diàn)壓信号(hào),采集時(shi)間間隔(gé)爲10ms,采集(jí)的電壓(ya)值經數(shu)字濾波(bō)後,用于(yú)流量計(jì)算;鍵盤(pan)處理模(mo)塊采用(yong)中斷方(fāng)式,根據(jù)鍵值,實(shi)現表1所(suo)示功能(néng)。
 
　　在計算(suan)模塊中(zhōng),首先利(li)用式(1)計(ji)算标定(dìng)流量值(zhi),其次,根(gen)據内部(bu)參數,确(que)定測量(liang)介質種(zhong)類,采用(yong)相應的(de)流量修(xiu)正議程(cheng),計算出(chu)實際工(gōng)況流量(liang),最後對(dui)瞬時流(liú)量進行(hang)累計計(ji)算,并存(cun)儲于EEPROM。
2整(zhěng)機調試(shì)
　　采用精(jīng)度爲0.07%的(de)水流量(liàng)标準裝(zhuāng)置對15mm口(kou)徑的浮(fú)子流量(liang)計整機(ji)進行标(biāo)定,該浮(fu)子量程(cheng)爲0.04~0.4m³/h,标定(dìng)結果如(rú)表2所示(shì)。
基本誤(wù)差計算(suan)公式爲(wèi):.
 
　　式中Ƴ爲(wèi)相對誤(wù)差;Xf爲浮(fu)子流量(liang)計測量(liang)值;Xs爲标(biao)定點流(liú)量值;Xmax爲(wèi)浮子流(liú)量計最(zui)大測量(liang)值。
 
　　該浮(fú)子流量(liang)計最大(da)基本誤(wu)差爲0.75%,滿(mǎn)足1級浮(fu)子流量(liang)計的要(yào)求。
3結論(lùn)
　　本文通(tong)用型智(zhì)能金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(jì)具有較(jiao)高的智(zhi)能化水(shuǐ)平,通過(guò)自主設(shè)計的角(jiao)位移傳(chuan)感器将(jiāng)浮子位(wei)置的變(biàn)化轉換(huàn)爲反映(yìng)角度變(bian)化的電(diàn)信号,利(li)用程序(xù)預設的(de)數學模(mo)型進行(háng)流量計(jì)算,提高(gāo)了計算(suàn)精度,而(er)且,無需(xū)根據被(bei)測介質(zhì)的密度(du)、工況條(tiao)件和流(liú)量範圍(wei)進行逐(zhú)台設計(jì)制造,對(dui)于同一(yi)管道傳(chuan)輸多種(zhǒng)介質的(de)情況,用(yòng)戶可根(gēn)據使用(yong)情況在(zai)線進行(háng)設置,給(gei)生産廠(chang)商和使(shǐ)用者帶(dài)來極大(da)的方便(biàn)。

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