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

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