引言(yan)
在工業(ye)生産和(he)科研測(ce)量中，經(jing)常遇到(dao)小流量(liang)、低雷諾(nuo)數的流(liu)量測量(liang)。浮子流(liu)量計由(you)于具有(you)靈敏度(du)高，測量(liang)範圍寬(kuan)，壓力損(sun)失較小(xiao)且恒定(ding)，測量🌐介(jie)質種類(lei)多，工作(zuo)可靠，維(wei)護簡便(bian)，對儀表(biao)前直管(guan)段要求(qiu)不高🈚等(deng)優點，已(yi)被廣泛(fan)應用。
浮(fu)子流量(liang)計的浮(fu)子位移(yi)與流量(liang)之間存(cun)在明确(que)對應的(de)函🚶♀️數關(guan)系，測出(chu)浮子位(wei)移即可(ke)确定流(liu)量大小(xiao)。金屬管(guan)浮子流(liu)量計(以(yi)下簡稱(cheng)流量計(ji))可以連(lian)續測量(liang)封閉管(guan)道内液(ye)體、氣體(ti)或蒸汽(qi)的流量(liang)，既能就(jiu)地指示(shi)，又能遠(yuan)傳信号(hao)🔞，可實現(xian)流㊙️量測(ce)量值的(de)遠距離(li)顯示、記(ji)錄、計算(suan)、調節💛控(kong)制等♈功(gong)能，因此(ci)廣泛應(ying)用于石(shi)油、化工(gong)、能源、冶(ye)金、醫藥(yao)、輕工✍️、國(guo)防等部(bu)門的流(liu)量檢測(ce)及過程(cheng)控制。由(you)💃🏻于流量(liang)計的浮(fu)子位移(yi)不能直(zhi)接讀出(chu)，所以将(jiang)磁鋼封(feng)入浮子(zi)内，由設(she)在轉換(huan)器内👨❤️👨的(de)磁藕合(he)機構得(de)到浮子(zi)位移，并(bing)由位⁉️移(yi)傳感器(qi)将與流(liu)量對應(ying)的浮子(zi)位移轉(zhuan)換成電(dian)信号，以(yi)實現遠(yuan)傳輸出(chu)。目前常(chang)用的位(wei)移傳感(gan)🏒器有兩(liang)種:差動(dong)變壓器(qi)式傳感(gan)器和電(dian)容式角(jiao)位移傳(chuan)感器。但(dan)是使用(yong)這兩種(zhong)位移傳(chuan)感器要(yao)獲得與(yu)流量對(dui)應的位(wei)移信号(hao)，需要通(tong)過磁鋼(gang)藕合以(yi)及相應(ying)的四連(lian)杆、凸輪(lun)等機械(xie)機構進(jin)行非線(xian)性修正(zheng)和傳動(dong)來實現(xian)，這就會(hui)造成轉(zhuan)換器傳(chuan)動環節(jie)多、結構(gou)複雜、存(cun)⛹🏻♀️在摩擦(ca)力、回差(cha)增大，從(cong)而降低(di)流量計(ji)的測量(liang)精度。因(yin)此🛀無法(fa)實現流(liu)量計的(de)轉換器(qi)全電子(zi)化、小型(xing)化以及(ji)在此💜基(ji)礎上的(de)智能🥰化(hua)。爲此，推(tui)出采用(yong)霍爾傳(chuan)感器檢(jian)測浮子(zi)位移、利(li)用16位低(di)功耗單(dan)片機作(zuo)爲核心(xin)處理器(qi)的智能(neng)流量計(ji)。
2系統構(gou)成原理(li)
該流量(liang)計采用(yong)線性霍(huo)爾傳感(gan)器檢測(ce)浮子位(wei)移，配合(he)單片機(ji)應用系(xi)統，完全(quan)去掉了(le)磁鋼禍(huo)合、非線(xian)性修正(zheng)及傳🥵動(dong)等機械(xie)機構。其(qi)工作原(yuan)理如圖(tu)1所示。
當(dang)被測流(liu)體自下(xia)而上流(liu)過錐管(guan)時，浮子(zi)産生位(wei)移，通過(guo)線性霍(huo)爾傳感(gan)器的磁(ci)力線角(jiao)度就會(hui)發生變(bian)化，從而(er)使🥰霍爾(er)傳感👨❤️👨器(qi)輸出相(xiang)應電壓(ya)。該輸出(chu)電壓輸(shu)入到🌈單(dan)片機應(ying)用系統(tong)進行💋處(chu)理後，可(ke)輸出與(yu)流量對(dui)應的标(biao)準電流(liu)🌐信号，也(ye)可通過(guo)标準📐通(tong)信接口(kou)❄️進行數(shu)據遠程(cheng)交換。
在(zai)流量計(ji)的轉換(huan)器中對(dui)應浮子(zi)位移範(fan)圍中間(jian)位置處(chu)放置兩(liang)個特性(xing)一緻的(de)霍爾傳(chuan)感器，兩(liang)個霍爾(er)傳感🌍器(qi)的磁敏(min)感面互(hu)成900。霍爾(er)傳感器(qi)的輸出(chu)電壓爲(wei):
E1=K1·I1·B1·-sin θ
E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
式中:
K1、K2爲(wei)霍爾靈(ling)敏度系(xi)數;
I1、I2爲霍(huo)爾元件(jian)的激勵(li)電流;
B1 、B2爲(wei)霍爾傳(chuan)感器所(suo)處位置(zhi)的磁感(gan)應強度(du);
θ爲磁力(li)線相對(dui)于霍爾(er)傳感器(qi)的磁敏(min)感面的(de)傾斜角(jiao)。
因爲兩(liang)個霍爾(er)傳感器(qi)選用特(te)性一緻(zhi)的同一(yi)型号🈲霍(huo)爾傳感(gan)器，采用(yong)同一激(ji)勵電流(liu)，處于同(tong)一高度(du)位置，所(suo)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因(yin)此可得(de):
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可見，由(you)E,, E2可求出(chu)磁力線(xian)的傾斜(xie)角。
由圖(tu)1可見，随(sui)着浮子(zi)上升，通(tong)過霍爾(er)傳感器(qi)的磁力(li)線的角(jiao)度順時(shi)針變化(hua)，因此求(qiu)出傾斜(xie)角θ就可(ke)以得出(chu)浮子的(de)位移。
3單(dan)片機應(ying)用系統(tong)硬件設(she)計
單片(pian)機應用(yong)系統的(de)原理框(kuang)圖如圖(tu)2所示。系(xi)統控制(zhi)✊器爲一(yi)片MSP430F149單🏃🏻♂️片(pian)機。M SP430F149的主(zhu)要特性(xing)與功能(neng)如下:
(1)超(chao)低電流(liu)消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模(mo)式，可在(zai)電壓降(jiang)至1.8V情況(kuang)下🔱工作(zuo)。
(2)基礎時(shi)鍾模塊(kuai):包括1個(ge)數控振(zhen)蕩器(DCO)和(he)2個晶體(ti)振蕩器(qi)。
(3)系統内(nei)置模塊(kuai):LCD驅動器(qi)、A/D轉換器(qi)、1/O口、USART串口(kou)、看門狗(gou)、定時器(qi)、硬件乘(cheng)法器、模(mo)拟比較(jiao)器、EPROM等。
(4) 16位(wei)RISC結構，125as指(zhi)令周期(qi)，等待方(fang)式進行(hang)喚醒的(de)時間爲(wei)61xso
(5)軟件可(ke)在RAM中運(yun)行。程序(xu)可通過(guo)UART或測試(shi)引腳裝(zhuang)入RAM，并🈲能(neng)在實時(shi)條件下(xia)運行。可(ke)降低試(shi)驗和調(diao)試的開(kai)銷。
(6)僅3種(zhong)指令格(ge)式，全部(bu)爲正交(jiao)結構，簡(jian)化了程(cheng)序的開(kai)發✊。ROM讀取(qu)、RAM存取、數(shu)據處理(li)、I/O及其他(ta)外圍操(cao)作都使(shi)用公共(gong)指令，無(wu)特殊指(zhi)令。
(7)系統(tong)工作穩(wen)定。上電(dian)複位後(hou)，首先由(you)DCOCLK啓動CPU，以(yi)保證程(cheng)序☁️從正(zheng)确的❄️位(wei)置開始(shi)執行，保(bao)證晶體(ti)振蕩器(qi)有足夠(gou)的起振(zhen)及穩定(ding)時間。如(ru)果晶體(ti)振蕩器(qi)在用作(zuo)CPU時🌈鍾MCLK時(shi)發生故(gu)障，DCO會自(zi)動啓動(dong)，以保證(zheng)系統正(zheng)常工作(zuo);如果程(cheng)序跑飛(fei)，看門狗(gou)可将其(qi)複位。
(8)具(ju)有高級(ji)語言編(bian)程能力(li)，已開發(fa)了C一編(bian)譯器，支(zhi)持🔆JTAG仿🤞真(zhen)。
線性霍(huo)爾傳感(gan)器将浮(fu)子位移(yi)轉換成(cheng)電壓信(xin)号，經放(fang)大✌️器💋放(fang)大後，由(you)16位MCU進行(hang)運算處(chu)理和非(fei)線性修(xiu)正後求(qiu)得流量(liang)值，一方(fang)面送LCD顯(xian)示器顯(xian)示，另一(yi)方面送(song)入DAC轉換(huan)成模拟(ni)量，再經(jing)輸出轉(zhuan)🔅換電路(lu)轉換成(cheng)标準電(dian)流信号(hao)輸出。另(ling)外，還可(ke)通過串(chuan)行通信(xin)接口RS485與(yu)上位機(ji)進行數(shu)據交換(huan)。
4軟件設(she)計
軟件(jian)的主流(liu)程圖如(ru)圖3所示(shi)。單片機(ji)在上電(dian)和複位(wei)的時候(hou)，先要執(zhi)行初始(shi)化程序(xu)。然後，依(yi)次判斷(duan)功能模(mo)塊的标(biao)志位，當(dang)标志位(wei)有效時(shi)，執行該(gai)功能模(mo)塊的程(cheng)序，如标(biao)志位無(wu)效🐪，則跳(tiao)過向下(xia)執行。當(dang)程序執(zhi)行到最(zui)後⭐，再循(xun)環返回(hui)到初始(shi)化之後(hou)。
标準電(dian)流輸出(chu)模塊和(he)RS485串行通(tong)信模塊(kuai)标志位(wei)是由♉掃(sao)描撥碼(ma)開關部(bu)分所決(jue)定的;數(shu)據存儲(chu)部分通(tong)過不斷(duan)♊地讀取(qu)時鍾芯(xin)片DS1307來判(pan)斷是否(fou)到了預(yu)先設定(ding)的存儲(chu)時間，到(dao)存儲時(shi)間後進(jin)入數據(ju)存儲子(zi)程序。RS485通(tong)信實現(xian)了數據(ju)的遠程(cheng)傳輸，人(ren)們不必(bi)🚩直接到(dao)現場去(qu)查看各(ge)種儀表(biao)的參數(shu)值，通過(guo)觀📐看通(tong)訊界面(mian)🏃即可獲(huo)得當前(qian)🚶和曆史(shi)數據。
5結(jie)束語
由(you)于采用(yong)霍爾傳(chuan)感器進(jin)行位移(yi)檢測，使(shi)流量計(ji)的轉換(huan)器不🔞需(xu)要任何(he)可動的(de)機械零(ling)件，實現(xian)了全電(dian)🙇🏻子化和(he)小♊型化(hua)，大大🐅降(jiang)低了回(hui)差;采用(yong)16位單片(pian)機進行(hang)線性修(xiu)正和運(yun)算，可使(shi)流量計(ji)的流🛀🏻量(liang)指示精(jing)确🏃🏻♂️度由(you)2.0級提高(gao)到1.0級。
由(you)以上分(fen)析可見(jian)，由于采(cai)用霍爾(er)傳感器(qi)和16位單(dan)片機，使(shi)流量計(ji)實現了(le)小型化(hua)、數字化(hua)和智能(neng)化，提高(gao)了流量(liang)計🏃🏻的精(jing)度，增加(jia)了流量(liang)計的功(gong)能，并使(shi)得現場(chang)總線型(xing)的流量(liang)計成爲(wei)可能。
以(yi)上内容(rong)來源于(yu)網絡，如(ru)有侵權(quan)請聯系(xi)即删除(chu)!
