摘要:本文設計(ji)了一種配置微(wei)處理器的通用(yong)型智能金屬管(guǎn)浮子流量計 ,該(gai)流量計可靈活(huo)地計算、修正流(liu)量,并通過參數(shù)配置,實現不同(tóng)介質及工況條(tiáo)件下的流量測(cè)量，爲石化、造紙(zhi)、化工等行業同(tóng)一管道傳輸不(bu)同種類或工況(kuàng)介質的流量測(ce)量提供了解決(jue)方案。
0引言
　　 浮子(zi)流量計 安裝方(fāng)便、堅固可靠、耐(nài)高溫高壓,廣泛(fàn)應用于液體、氣(qì)體、蒸汽等介質(zhì)流量的測量和(he)自動控制系統(tong)，特别适合于精(jīng)細化工、化肥、石(shí)化.乙烯、冶金、造(zao)紙等行業的高(gao)溫高壓、易燃易(yi)爆、強腐蝕介質(zhì)的測量過程。
 
　　傳(chuan)統的機械式金(jin)屬管浮子流量(liang)計,由于其局限(xian)性,無法進行流(liu)量的正确計量(liang)。即便是改進型(xíng)的機械式金屬(shu)管浮子流量計(jì),用凸輪闆和轉(zhuan)角變送器進行(háng)修正，雖能提高(gao)精度,但凸輪闆(pǎn)的加工需要考(kǎo)慮不同測量介(jiè)質及工況條件(jiàn),且機加工的複(fú)雜度高,流量計(jì)量的精度仍受(shòu)到加工精度的(de)限制。因此,設計(ji)了一種可以通(tōng)過微處理器靈(ling)活配置參數、适(shì)應不同測量介(jie)質和工況條件(jiàn)的通用型智能(néng)金屬管浮子流(liú)量計,其結構如(ru)圖1所示。通過自(zi)行設計的角位(wei)移傳感器将浮(fú)子位置的變化(huà)轉換爲反映角(jiǎo)度變化的電信(xin)号,利用程序預(yù)設的數字模型(xing)進行流量計算(suàn)，克服了凸輪式(shi)機械結構進行(hang)流量計算固有(you)的弊端。
1通用型(xing)智能金屬浮子(zǐ)流量計設計
　　本(ben)文開發了一種(zhong)人機界面友好(hao),具有流量自動(dong)修正功能,廣泛(fàn)适用于液體、氣(qi)體及不同工況(kuàng)條件的通用型(xíng)智能金屬管浮(fu)子流量計。
1.1配置(zhì)參數設計
　　爲提(tí)高計算精度,靈(líng)活進行參數配(pèi)置以适應不同(tong)工況條件,将配(pei)置參數分爲内(nei)部和外部參數(shu)兩類。
1.1.1内部參數(shu)配置
　　内部參數(shu)包括浮子密度(du)、口徑、測量介質(zhì)種類、測量範圍(wéi)以及本機儀表(biǎo)系數,由配置軟(ruǎn)件在出廠标定(dìng)時設置。該軟件(jiàn)運行于Windows平台,将(jiang)浮子标定過程(cheng)與内部參數配(pèi)置融合爲一體(ti),其工作過程如(rú)下:
(1)設定編号、口(kou)徑、标定點數、浮(fu)子密度和測量(liang)介質，爲方便使(shǐ)用,可選是否正(zhèng)反行程标定;
(2)選(xuǎn)擇測量範圍;
(3)開(kai)始實際标定,産(chan)生角位移傳感(gan)器輸出電壓與(yu)标定點流量的(de)對應列表;
(4)自動(dong)進行數據拟合(hé),計算本機儀表(biǎo)系數,并将内部(bu)參數寫入浮子(zi)流量計。
　　計算機(jī)與智能金屬管(guan)浮子流量計通(tong)訊采用異步串(chuàn)行通訊方式,由(you)于通用串行通(tong)訊協議較複雜(za),因此,自定義了(le)一種簡化通訊(xun)協議,其幀格式(shì)爲:
幀首　方向标(biāo)志　命令　數據　校(xiao)驗　幀尾
　　 其中方(fāng)向标志表示數(shu)據的傳送方向(xiàng)。“>”爲下行标志(0x3E),表(biao)示數據由計算(suan)機發送到智能(neng)浮子流量計;“<”爲(wèi).上行标志(0x3C),表示(shì)數據由智能浮(fu)子流量計發送(song)到計算機。
　　 根據(jù)功能的不同,設(shè)計8種通訊幀,其(qi)中下行幀5種，分(fèn)别爲電壓采集(ji)幀、寫配置參數(shù)幀、讀配置參數(shu)幀、寫産品标識(shí)幀和讀産品标(biāo)識幀;上行幀3種(zhong),分别爲電壓上(shàng)傳幀、配置參數(shu).上傳幀和産品(pǐn)标識上傳幀。下(xia)行幀包括命令(ling)标志,上行幀省(shěng)略命令标志。
1.1.2外(wài)部參數設置
　　 外(wài)部參數包括被(bèi)測介質密度、顯(xiǎn)示精度、顯示單(dān)位和滿量程流(liú)量,當測量介質(zhì)爲氣體時，還需(xu)設置工況溫度(dù)和工況壓力。外(wài)部參數可由用(yong)戶在使用過程(chéng)中通過3個按.鍵(jiàn)(功能鍵<F>、累加鍵(jiàn)<↑>和移動鍵<→>)設置(zhi),因此,當管道中(zhōng)的測量介質和(hé)工祝條件發生(sheng)變化時,用戶通(tong)過改變其參數(shù)即可保證測量(liàng)的精度，且顯示(shì)和輸出與當前(qian)的實際流量相(xiang)對應。
　　 通過内部(bù)參數與外部參(can)數配合使用,實(shí)現了該儀表生(shēng)産過程與使用(yòng)過程的通用性(xìng)。
1.2硬件設計
　　 硬件(jian)結構如圖2所示(shì),浮子的位置變(bian)化通過擺杆變(biàn)爲角度變化後(hou)，由電容角位移(yí)傳感器轉換爲(wèi)電壓信号,微處(chù)理器通過内部(bu)集成的A/D轉換器(qi)将該信号變爲(wei)數字量進行流(liu)量計算并累計(jì),将計算結果送(song)液晶顯示器顯(xian)示,并通過控制(zhi)PWM輸出,将當前瞬(shun)時流量以4~20mA二線(xian)制方式遠傳;鍵(jiàn)盤用于外部參(can)數設置;數字通(tōng)訊接口與計算(suan)機連接進行内(nei)部參數設置。
 
1.21電(diàn)容角位移傳感(gan)器設計
　　 根據浮(fú)子行程和擺杆(gan)長度,可确定最(zuì)大轉角爲30°,因此(cǐ)設計了如圖3所(suǒ)示的電容敏感(gan)元件,其測量角(jiǎo)位移範圍0~45*12]1,爲了(le)減少電場邊緣(yuán)效應影響,實際(jì)使用中,電容敏(mǐn)感元件控制在(zai)5~35*變化範圍。
 
　　 電容(róng)測量電路基于(yú)充放電原理,該(gai)電路具有抗寄(jì)生電容、雜散電(diàn)容等分布電容(rong)特性。圖4爲電容(rong)測量電路示意(yì)圖,Vc爲充電電壓(ya)，開關K1、K2、K3、K4受時鍾脈(mo)沖控制。一個完(wan)整的測量過程(cheng)包括充放電兩(liǎng)個周期:K1與K2導通(tong),K3與K4關斷爲充電(dian)狀态,将被測電(diàn)容G充電到Vc;K1與K2關(guan)斷,K3與K4導通爲放(fàng)電狀态,被測電(dian)容中的電荷由(yóu)電荷檢測器檢(jiǎn)出,輸出正比于(yu)被測電容的電(diàn)壓信号V0
 
1.22輸出設(shè)備設計
　　輸出設(she)備包括顯示輸(shū)出和模拟傳輸(shū)出部分。
　　雙排液(yè)晶作爲顯示輸(shu)出設備,通過rC總(zong)線接收微處理(li)器發送的命令(lìng)和數據,同時顯(xian)示瞬時流量和(he)累計流量。
　　模拟(nǐ)遠傳模塊通過(guo)PWM脈寬調制完成(chéng)。微處理器根據(jù)設置的滿度流(liu)量和計算的瞬(shùn)時流量,調制輸(shū)出脈沖的占空(kōng)比,通過濾波電(diàn)路轉換爲正比(bǐ)于瞬時流量的(de)電壓值,并經過(guo)電壓/電流轉換(huan)接口電路,變成(cheng)4~20mA電流信号實現(xian)遠傳。
1.3軟件設計(ji)
　　軟件采用模塊(kuai)化設計,按功能(neng)分爲4部分:輸入(rù)、輸出、流量計算(suàn)和數字通訊,各(gè)部分根據具體(ti)情況細分爲多(duo)個模塊，完成相(xiàng)應功能，如圖5所(suǒ)示。
 
　　AD轉換器采集(ji)角位移傳感器(qì)輸出電壓信号(hào),采集時間間隔(ge)爲10ms,采集的電壓(yā)值經數字濾波(bō)後,用于流量計(ji)算;鍵盤處理模(mó)塊采用中斷方(fang)式,根據鍵值,實(shí)現表1所示功能(neng)。
 
　　在計算模塊中(zhong),首先利用式(1)計(jì)算标定流量值(zhi),其次,根據内部(bù)參數,确定測量(liàng)介質種類,采用(yòng)相應的流量修(xiū)正議程,計算出(chu)實際工況流量(liang),最後對瞬時流(liu)量進行累計計(ji)算,并存儲于EEPROM。
2整(zheng)機調試
　　采用精(jing)度爲0.07%的水流量(liang)标準裝置對15mm口(kou)徑的浮子流量(liàng)計整機進行标(biāo)定,該浮子量程(cheng)爲0.04~0.4m³/h,标定結果如(ru)表2所示。
基本誤(wu)差計算公式爲(wèi):.
 
　　式中Ƴ爲相對誤(wù)差;Xf爲浮子流量(liang)計測量值;Xs爲标(biao)定點流量值;Xmax爲(wèi)浮子流量計最(zui)大測量值。
 
　　該浮(fu)子流量計最大(da)基本誤差爲0.75%,滿(mǎn)足1級浮子流量(liang)計的要求。
3結論(lùn)
　　本文通用型智(zhì)能金屬管浮子(zi)流量計具有較(jiào)高的智能化水(shuǐ)平,通過自主設(shè)計的角位移傳(chuan)感器将浮子位(wei)置的變化轉換(huan)爲反映角度變(biàn)化的電信号,利(li)用程序預設的(de)數學模型進行(hang)流量計算,提高(gāo)了計算精度,而(ér)且,無需根據被(bèi)測介質的密度(du)、工況條件和流(liú)量範圍進行逐(zhu)台設計制造,對(duì)于同一管道傳(chuan)輸多種介質的(de)情況,用戶可根(gen)據使用情況在(zài)線進行設置,給(gei)生産廠商和使(shi)用者帶來極大(da)的方便。

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