引言
在(zai)工業生産和(hé)科研測量中(zhong)，經常遇到小(xiao)流量、低雷諾(nuo)數😍的流量測(cè)量。浮子流量(liang)計由于具有(you)靈敏度高，測(cè)量範圍寬，壓(yā)力損失較小(xiao)且恒定，測量(liàng)介質種類多(duo)，工作可靠，維(wéi)護簡便，對儀(yi)表前直管段(duàn)要求不高等(deng)優點，已被廣(guǎng)泛應用。
浮子(zǐ)流量計的浮(fu)子位移與流(liu)量之間存在(zài)明确對🌈應的(de)函數關系，測(ce)出浮子位移(yí)即可确定流(liu)量大小。金屬(shu)管浮子流量(liang)計(以下簡稱(cheng)流量計)可以(yǐ)連續測量封(feng)閉管道内液(yè)體、氣體或蒸(zheng)汽的流量，既(jì)能就地指示(shi)，又能遠傳信(xìn)号，可實現流(liu)量測量值的(de)遠距離顯示(shi)、記錄、計算、調(diao)節控制等功(gong)能，因此廣泛(fàn)💃🏻應用于石油(yóu)、化工、能源、冶(yě)金📞、醫藥、輕工(gōng)、國防等部門(mén)的流量檢測(ce)及過程控制(zhì)。由于流量計(jì)的浮子位移(yi)不能直接讀(du)出㊙️，所以将磁(cí)鋼🏒封入浮子(zǐ)内，由設在轉(zhuan)換器内的磁(cí)藕合機構得(dé)到浮子位移(yi)，并由位移傳(chuan)感器将與流(liú)量對應的浮(fu)子位移轉換(huàn)成電信号🔴，以(yǐ)實現遠傳輸(shū)出。目前常用(yòng)的位移傳感(gǎn)器有兩種:差(cha)動變壓🧡器式(shi)傳感器和🏃🏻電(diàn)容☁️式角位移(yí)傳感器。但是(shì)使㊙️用這兩種(zhong)位移傳感器(qì)要🌂獲得與流(liu)量對應的位(wei)移信🚩号，需要(yao)通過磁鋼藕(ǒu)合🌈以及相應(ying)的四連杆、凸(tū)輪♌等機械機(ji)構進行非線(xiàn)性修正和傳(chuan)動來實現，這(zhe)就會造成轉(zhuan)換🐉器傳動環(huán)節多、結構複(fú)雜、存在摩擦(cā)力、回差增大(da)🥵，從而降低流(liu)量計的測量(liang)精度。因此無(wú)法實現流量(liàng)計的轉換器(qì)全電子化、小(xiǎo)型化以及在(zài)此基礎上的(de)智能🈲化。爲此(cǐ)，推出采用霍(huo)爾💘傳感器檢(jian)測浮子位移(yi)、利用16位低功(gong)耗🌈單片機作(zuo)爲核心處理(li)器的智能流(liu)量計。
2系統構(gòu)成原理
該流(liu)量計采用線(xian)性霍爾傳感(gǎn)器檢測浮子(zǐ)位移，配合☁️單(dan)片機應用系(xì)統，完全去掉(diao)了磁鋼禍合(hé)、非線性修正(zheng)及傳動等機(ji)械機構💘。其工(gōng)作原理如圖(tu)1所示。
當被測(ce)流體自下而(er)上流過錐管(guan)時，浮子産生(shēng)位移，通過線(xiàn)👣性霍爾傳感(gǎn)器的磁力線(xian)角度就會發(fā)生變🍓化，從而(er)使🧑🏾🤝🧑🏼霍爾♌傳感(gan)器輸💞出相應(yīng)電壓。該輸出(chu)電壓輸入到(dao)單片機🧑🏾🤝🧑🏼應用(yòng)系統進行處(chu)理後，可輸出(chū)與流量對應(yīng)的标準電流(liú)信号，也可通(tong)過标準通信(xìn)接口💰進行數(shu)據遠📐程交換(huan)。
在流量計的(de)轉換器中對(dui)應浮子位移(yí)範圍中間位(wei)置處放置兩(liǎng)個特性一緻(zhì)的霍爾傳感(gan)器，兩個霍爾(er)傳感器的🏃🏻♂️磁(cí)敏感面互成(chéng)900。霍爾傳感器(qì)的輸出電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·-sin θ
E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍(huo)爾靈敏度系(xi)數;
I1、I2爲霍爾元(yuán)件的激勵電(diàn)流;
B1 、B2爲霍爾傳(chuán)感器所處位(wei)置的磁感應(yīng)強度;
θ爲磁力(li)線相對于霍(huò)爾傳感器的(de)磁敏感面的(de)傾斜角。
因爲(wei)兩個霍爾傳(chuan)感器選用特(te)性一緻的同(tong)一型号霍☁️爾(er)傳感器，采用(yong)同一激勵電(dian)流，處于同一(yī)高度位置，所(suǒ)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因此可(kě)得:
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可見，由E,, E2可(kě)求出磁力線(xiàn)的傾斜角。
由(you)圖1可見，随着(zhe)浮子上升，通(tōng)過霍爾傳感(gan)器的磁力線(xiàn)的角度順時(shí)針變化，因此(ci)求出傾斜角(jiǎo)θ就可以得出(chū)浮子的位移(yi)。
3單片機應用(yòng)系統硬件設(shè)計
單片機應(ying)用系統的原(yuán)理框圖如圖(tú)2所示。系統控(kòng)制器爲一片(piàn)🏃🏻MSP430F149單片機。M SP430F149的主(zhǔ)要特性與功(gōng)能如下:
(1)超低(dī)電流消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模式，可(kě)在電壓降至(zhì)1.8V情況下工🤩作(zuò)。
(2)基礎時鍾模(mó)塊:包括1個數(shu)控振蕩器(DCO)和(he)2個晶體振蕩(dang)器。
(3)系統内置(zhì)模塊:LCD驅動器(qi)、A/D轉換器、1/O口、USART串(chuàn)口、看門狗、定(ding)時器、硬件乘(chéng)🏃🏻法器、模拟比(bi)較器、EPROM等。
(4) 16位RISC結(jié)構，125as指令周期(qī)，等待方式進(jìn)行喚醒的時(shi)間爲61xso
(5)軟件可(kě)在RAM中運行。程(chéng)序可通過UART或(huò)測試引腳裝(zhuang)入RAM，并😄能在實(shi)時條件下運(yun)行。可降低試(shi)驗和調試的(de)開銷。
(6)僅3種指(zhǐ)令格式，全部(bu)爲正交結構(gou)，簡化了程序(xù)的開發。ROM讀取(qǔ)、RAM存取、數據處(chù)理、I/O及其他外(wai)圍操作都使(shi)用公共指令(lìng)，無特殊指令(lìng)。
(7)系統工作穩(wěn)定。上電複位(wèi)後，首先由DCOCLK啓(qǐ)動CPU，以保證程(cheng)序從正确的(de)位置開始執(zhi)行，保證晶體(tǐ)振蕩器有足(zu)夠的起振及(ji)穩定時間。如(rú)果晶體振蕩(dàng)器在用作CPU時(shi)鍾MCLK時發🍉生故(gu)障，DCO會自動啓(qǐ)動，以保證系(xì)統正常工作(zuò);如果程序跑(pao)飛，看門狗可(ke)将其複位。
(8)具(ju)有高級語言(yan)編程能力，已(yǐ)開發了C一編(biān)譯器，支持JTAG仿(pang)真。
線性霍爾(er)傳感器将浮(fu)子位移轉換(huàn)成電壓信号(hao)，經放大器放(fàng)👉大後，由16位MCU進(jin)行運算處理(lǐ)和非線性修(xiū)正後求得流(liu)量值，一方面(mian)送LCD顯示器顯(xian)示，另一方面(miàn)送入DAC轉換成(chéng)模拟量，再經(jīng)輸出轉換電(dian)路轉換成标(biao)準電流信号(hao)輸出。另外，還(hái)可通過串行(háng)通信接口RS485與(yu)上位機進行(hang)數據交換。
4軟(ruǎn)件設計
軟件(jian)的主流程圖(tú)如圖3所示。單(dan)片機在上電(dian)和複位的時(shi)候📐，先要執行(háng)初始化程序(xu)。然後，依次判(pan)斷功能模塊(kuài)的标志位🏃🏻，當(dang)标🈚志位💋有效(xiào)時，執行該功(gong)能模塊的程(chéng)序，如标志🌈位(wei)無效✊，則跳過(guo)向下執🏃🏻♂️行。當(dāng)程序執行到(dao)最後，再循環(huan)返回到初始(shi)化之後。
标準(zhun)電流輸出模(mo)塊和RS485串行通(tong)信模塊标志(zhi)位是由掃描(miáo)撥碼開關部(bu)分所決定的(de);數據存儲部(bu)分通過不斷(duan)☁️地讀📧取時鍾(zhōng)芯片DS1307來😍判斷(duàn)是否到了預(yu)先設定的存(cún)儲🍉時間，到存(cún)儲時間後進(jìn)入數據存儲(chu)子程序。RS485通信(xìn)實現了數據(jù)的🆚遠程傳輸(shū)🐪，人們不必直(zhí)接到現📱場去(qu)查看各種儀(yi)表的參數值(zhí)，通過觀看通(tong)訊界面即可(kě)獲得當前和(he)曆史數據。
5結(jie)束語
由于采(cǎi)用霍爾傳感(gan)器進行位移(yi)檢測，使流量(liàng)計的轉換器(qì)不需要任何(he)可動的機械(xiè)零件，實現了(le)全電子化和(hé)小型化，大大(dà)降低了回差(chà);采用16位單片(piàn)機進⭕行線性(xing)修正和運算(suàn)，可使流量計(jì)的流量指示(shì)精确度由2.0級(ji)提高到1.0級。
由(yóu)以上分析可(kě)見，由于采用(yòng)霍爾傳感器(qì)和16位單片機(ji)，使流量⭐計實(shí)現了小型化(huà)、數字化和智(zhì)能化，提高了(le)流量計的精(jing)度，增加了流(liú)量計的功能(neng)，并使得現場(chǎng)總線🍓型的流(liu)量計成🏃爲可(kě)能。
以上内容(róng)來源于網絡(luò)，如有侵權請(qing)聯系即删除(chú)!
|
