摘要:本文設(shè)計(jì)了一種配置微處理器的通用型智能金屬管浮子流量計(jì),該流量計(jì)可靈活地計(jì)算、修正流量,并通過(guò)參數(shù)配置,實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)及工況條件下的流量測(cè)量，為石化、造紙、化工等行業(yè)同一管道傳輸不同種類(lèi)或工況介質(zhì)的流量測(cè)量提供了解決方案。
0引言
浮子流量計(jì)安裝方便、堅(jiān)固可靠、耐高溫高壓,廣泛應(yīng)用于液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)流量的測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)，特別適合于精細(xì)化工、化肥、石化.乙烯、冶金、造紙等行業(yè)的高溫高壓、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的測(cè)量過(guò)程。
傳統(tǒng)的機(jī)械式金屬管浮子流量計(jì),由于其局限性,無(wú)法進(jìn)行流量的正確計(jì)量。即便是改進(jìn)型的機(jī)械式金屬管浮子流量計(jì),用凸輪板和轉(zhuǎn)角變送器進(jìn)行修正，雖能提高精度,但凸輪板的加工需要考慮不同測(cè)量介質(zhì)及工況條件,且機(jī)加工的復(fù)雜度高,流量計(jì)量的精度仍受到加工精度的限制。因此,設(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)微處理器靈活配置參數(shù)、適應(yīng)不同測(cè)量介質(zhì)和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號(hào),利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)字模型進(jìn)行流量計(jì)算，克服了凸輪式機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量計(jì)算固有的弊端。
1通用型智能金屬浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)
本文開(kāi)發(fā)了一種人機(jī)界面友好,具有流量自動(dòng)修正功能,廣泛適用于液體、氣體及不同工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計(jì)。
1.1配置參數(shù)設(shè)計(jì)
為提高計(jì)算精度,靈活進(jìn)行參數(shù)配置以適應(yīng)不同工況條件,將配置參數(shù)分為內(nèi)部和外部參數(shù)兩類(lèi)。
1.1.1內(nèi)部參數(shù)配置
內(nèi)部參數(shù)包括浮子密度、口徑、測(cè)量介質(zhì)種類(lèi)、測(cè)量范圍以及本機(jī)儀表系數(shù),由配置軟件在出廠標(biāo)定時(shí)設(shè)置。該軟件運(yùn)行于Windows平臺(tái),將浮子標(biāo)定過(guò)程與內(nèi)部參數(shù)配置融合為一體,其工作過(guò)程如下:
(1)設(shè)定編號(hào)、口徑、標(biāo)定點(diǎn)數(shù)、浮子密度和測(cè)量介質(zhì)，為方便使用,可選是否正反行程標(biāo)定;
(2)選擇測(cè)量范圍;
(3)開(kāi)始實(shí)際標(biāo)定,產(chǎn)生角位移傳感器輸出電壓與標(biāo)定點(diǎn)流量的對(duì)應(yīng)列表;
(4)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,計(jì)算本機(jī)儀表系數(shù),并將內(nèi)部參數(shù)寫(xiě)入浮子流量計(jì)。
計(jì)算機(jī)與智能金屬管浮子流量計(jì)通訊采用異步串行通訊方式,由于通用串行通訊協(xié)議較復(fù)雜,因此,自定義了一種簡(jiǎn)化通訊協(xié)議,其幀格式為:
幀首 方向標(biāo)志 命令 數(shù)據(jù) 校驗(yàn) 幀尾
其中方向標(biāo)志表示數(shù)據(jù)的傳送方向。“>”為下行標(biāo)志(0x3E),表示數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)發(fā)送到智能浮子流量計(jì);“<”為.上行標(biāo)志(0x3C),表示數(shù)據(jù)由智能浮子流量計(jì)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
根據(jù)功能的不同,設(shè)計(jì)8種通訊幀,其中下行幀5種，分別為電壓采集幀、寫(xiě)配置參數(shù)幀、讀配置參數(shù)幀、寫(xiě)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)幀和讀產(chǎn)品標(biāo)識(shí)幀;上行幀3種,分別為電壓上傳幀、配置參數(shù).上傳幀和產(chǎn)品標(biāo)識(shí)上傳幀。下行幀包括命令標(biāo)志,上行幀省略命令標(biāo)志。
1.1.2外部參數(shù)設(shè)置
外部參數(shù)包括被測(cè)介質(zhì)密度、顯示精度、顯示單位和滿(mǎn)量程流量,當(dāng)測(cè)量介質(zhì)為氣體時(shí)，還需設(shè)置工況溫度和工況壓力。外部參數(shù)可由用戶(hù)在使用過(guò)程中通過(guò)3個(gè)按.鍵(功能鍵<F>、累加鍵<↑>和移動(dòng)鍵<→>)設(shè)置,因此,當(dāng)管道中的測(cè)量介質(zhì)和工祝條件發(fā)生變化時(shí),用戶(hù)通過(guò)改變其參數(shù)即可保證測(cè)量的精度，且顯示和輸出與當(dāng)前的實(shí)際流量相對(duì)應(yīng)。
通過(guò)內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)配合使用,實(shí)現(xiàn)了該儀表生產(chǎn)過(guò)程與使用過(guò)程的通用性。
1.2硬件設(shè)計(jì)
硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,浮子的位置變化通過(guò)擺桿變?yōu)榻嵌茸兓�，由電容角位移傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),微處理器通過(guò)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將該信號(hào)變?yōu)閿?shù)字量進(jìn)行流量計(jì)算并累計(jì),將計(jì)算結(jié)果送液晶顯示器顯示,并通過(guò)控制PWM輸出,將當(dāng)前瞬時(shí)流量以4~20mA二線(xiàn)制方式遠(yuǎn)傳;鍵盤(pán)用于外部參數(shù)設(shè)置;數(shù)字通訊接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。
1.21電容角位移傳感器設(shè)計(jì)
根據(jù)浮子行程和擺桿長(zhǎng)度,可確定最大轉(zhuǎn)角為30°,因此設(shè)計(jì)了如圖3所示的電容敏感元件,其測(cè)量角位移范圍0~45*12]1,為了減少電場(chǎng)邊緣效應(yīng)影響,實(shí)際使用中,電容敏感元件控制在5~35*變化范圍。
電容測(cè)量電路基于充放電原理,該電路具有抗寄生電容、雜散電容等分布電容特性。圖4為電容測(cè)量電路示意圖,Vc為充電電壓，開(kāi)關(guān)K1、K2、K3、K4受時(shí)鐘脈沖控制。一個(gè)完整的測(cè)量過(guò)程包括充放電兩個(gè)周期:K1與K2導(dǎo)通,K3與K4關(guān)斷為充電狀態(tài),將被測(cè)電容G充電到Vc;K1與K2關(guān)斷,K3與K4導(dǎo)通為放電狀態(tài),被測(cè)電容中的電荷由電荷檢測(cè)器檢出,輸出正比于被測(cè)電容的電壓信號(hào)V0
1.22輸出設(shè)備設(shè)計(jì)
輸出設(shè)備包括顯示輸出和模擬傳輸出部分。
雙排液晶作為顯示輸出設(shè)備,通過(guò)rC總線(xiàn)接收微處理器發(fā)送的命令和數(shù)據(jù),同時(shí)顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。
模擬遠(yuǎn)傳模塊通過(guò)PWM脈寬調(diào)制完成。微處理器根據(jù)設(shè)置的滿(mǎn)度流量和計(jì)算的瞬時(shí)流量,調(diào)制輸出脈沖的占空比,通過(guò)濾波電路轉(zhuǎn)換為正比于瞬時(shí)流量的電壓值,并經(jīng)過(guò)電壓/電流轉(zhuǎn)換接口電路,變成4~20mA電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。
1.3軟件設(shè)計(jì)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì),按功能分為4部分:輸入、輸出、流量計(jì)算和數(shù)字通訊,各部分根據(jù)具體情況細(xì)分為多個(gè)模塊，完成相應(yīng)功能，如圖5所示。
AD轉(zhuǎn)換器采集角位移傳感器輸出電壓信號(hào),采集時(shí)間間隔為10ms,采集的電壓值經(jīng)數(shù)字濾波后,用于流量計(jì)算;鍵盤(pán)處理模塊采用中斷方式,根據(jù)鍵值,實(shí)現(xiàn)表1所示功能。
在計(jì)算模塊中,首先利用式(1)計(jì)算標(biāo)定流量值,其次,根據(jù)內(nèi)部參數(shù),確定測(cè)量介質(zhì)種類(lèi),采用相應(yīng)的流量修正議程,計(jì)算出實(shí)際工況流量,最后對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行累計(jì)計(jì)算,并存儲(chǔ)于EEPROM。
2整機(jī)調(diào)試
采用精度為0.07%的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)15mm口徑的浮子流量計(jì)整機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,該浮子量程為0.04~0.4m³/h,標(biāo)定結(jié)果如表2所示。
基本誤差計(jì)算公式為:.
式中Ƴ為相對(duì)誤差;Xf為浮子流量計(jì)測(cè)量值;Xs為標(biāo)定點(diǎn)流量值;Xmax為浮子流量計(jì)最大測(cè)量值。
該浮子流量計(jì)最大基本誤差為0.75%,滿(mǎn)足1級(jí)浮子流量計(jì)的要求。
3結(jié)論
本文通用型智能金屬管浮子流量計(jì)具有較高的智能化水平,通過(guò)自主設(shè)計(jì)的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號(hào),利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行流量計(jì)算,提高了計(jì)算精度,而且,無(wú)需根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的密度、工況條件和流量范圍進(jìn)行逐臺(tái)設(shè)計(jì)制造,對(duì)于同一管道傳輸多種介質(zhì)的情況,用戶(hù)可根據(jù)使用情況在線(xiàn)進(jìn)行設(shè)置,給生產(chǎn)廠商和使用者帶來(lái)極大的方便。
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