摘要:本(ben)文設計了(le)一種配置(zhi)微處理器(qi)的通用型(xing)智能金屬(shu)管浮子流(liu)量計 ,該流(liu)量計可靈(ling)活地計算(suan)、修正流量(liang),并通過參(can)數配置,實(shi)現不同介(jie)質及工況(kuang)條件下的(de)流量測量(liang)，爲石化、造(zao)紙、化工等(deng)行業同一(yi)管道傳輸(shu)不同種類(lei)或工況介(jie)質的流量(liang)測量提供(gong)了解決方(fang)案。
0引言
　　 浮(fu)子流量計(ji) 安裝方便(bian)、堅固可靠(kao)、耐高溫高(gao)壓,廣泛應(ying)用于液體(ti)、氣體、蒸汽(qi)等介質流(liu)量的測量(liang)和自動控(kong)制系統，特(te)别适合于(yu)精細化工(gong)、化肥、石化(hua).乙烯、冶金(jin)、造紙等行(hang)業的高溫(wen)高壓、易燃(ran)易爆、強腐(fu)蝕介質的(de)測量過程(cheng)。
 
　　傳統的機(ji)械式金屬(shu)管浮子流(liu)量計,由于(yu)其局限性(xing),無法進行(hang)流量的正(zheng)确計量。即(ji)便是改進(jin)型的機械(xie)式金屬管(guan)浮子流量(liang)計,用凸輪(lun)闆和轉角(jiao)變送器進(jin)行修正，雖(sui)能提高精(jing)度,但凸輪(lun)闆的加工(gong)需要考慮(lü)不同測量(liang)介質及工(gong)況條件,且(qie)機加工的(de)複雜度高(gao),流量計量(liang)的精度仍(reng)受到加工(gong)精度的限(xian)制。因此,設(she)計了一種(zhong)可以通過(guo)微處理器(qi)靈活配置(zhi)參數、适應(ying)不同測量(liang)介質和工(gong)況條件的(de)通用型智(zhi)能金屬管(guan)浮子流量(liang)計,其結構(gou)如圖1所示(shi)。通過自行(hang)設計的角(jiao)位移傳感(gan)器将浮子(zi)位置的變(bian)化轉換爲(wei)反映角度(du)變化的電(dian)信号,利用(yong)程序預設(she)的數字模(mo)型進行流(liu)量計算，克(ke)服了凸輪(lun)式機械結(jie)構進行流(liu)量計算固(gu)有的弊端(duan)。
1通用型智(zhi)能金屬浮(fu)子流量計(ji)設計
　　本文(wen)開發了一(yi)種人機界(jie)面友好,具(ju)有流量自(zi)動修正功(gong)能,廣泛适(shi)用于液體(ti)、氣體及不(bu)同工況條(tiao)件的通用(yong)型智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計。
1.1配(pei)置參數設(she)計
　　爲提高(gao)計算精度(du),靈活進行(hang)參數配置(zhi)以适應不(bu)同工況條(tiao)件,将配置(zhi)參數分爲(wei)内部和外(wai)部參數兩(liang)類。
1.1.1内部參(can)數配置
　　内(nei)部參數包(bao)括浮子密(mi)度、口徑、測(ce)量介質種(zhong)類、測量範(fan)圍以及本(ben)機儀表系(xi)數,由配置(zhi)軟件在出(chu)廠标定時(shi)設置。該軟(ruan)件運行于(yu)Windows平台,将浮(fu)子标定過(guo)程與内部(bu)參數配置(zhi)融合爲一(yi)體,其工作(zuo)過程如下(xia):
(1)設定編号(hao)、口徑、标定(ding)點數、浮子(zi)密度和測(ce)量介質，爲(wei)方便使用(yong),可選是否(fou)正反行程(cheng)标定;
(2)選擇(ze)測量範圍(wei);
(3)開始實際(ji)标定,産生(sheng)角位移傳(chuan)感器輸出(chu)電壓與标(biao)定點流量(liang)的對應列(lie)表;
(4)自動進(jin)行數據拟(ni)合,計算本(ben)機儀表系(xi)數,并将内(nei)部參數寫(xie)入浮子流(liu)量計。
　　計算(suan)機與智能(neng)金屬管浮(fu)子流量計(ji)通訊采用(yong)異步串行(hang)通訊方式(shi),由于通用(yong)串行通訊(xun)協議較複(fu)雜,因此,自(zi)定義了一(yi)種簡化通(tong)訊協議,其(qi)幀格式爲(wei):
幀首　方向(xiang)标志　命令(ling)　數據　校驗(yan)　幀尾
　　 其中(zhong)方向标志(zhi)表示數據(ju)的傳送方(fang)向。“>”爲下行(hang)标志(0x3E),表示(shi)數據由計(ji)算機發送(song)到智能浮(fu)子流量計(ji);“<”爲.上行标(biao)志(0x3C),表示數(shu)據由智能(neng)浮子流量(liang)計發送到(dao)計算機。
　　 根(gen)據功能的(de)不同,設計(ji)8種通訊幀(zhen),其中下行(hang)幀5種，分别(bie)爲電壓采(cai)集幀、寫配(pei)置參數幀(zhen)、讀配置參(can)數幀、寫産(chan)品标識幀(zhen)和讀産品(pin)标識幀;上(shang)行幀3種,分(fen)别爲電壓(ya)上傳幀、配(pei)置參數.上(shang)傳幀和産(chan)品标識上(shang)傳幀。下行(hang)幀包括命(ming)令标志,上(shang)行幀省略(lue)命令标志(zhi)。
1.1.2外部參數(shu)設置
　　 外部(bu)參數包括(kuo)被測介質(zhi)密度、顯示(shi)精度、顯示(shi)單位和滿(man)量程流量(liang),當測量介(jie)質爲氣體(ti)時，還需設(she)置工況溫(wen)度和工況(kuang)壓力。外部(bu)參數可由(you)用戶在使(shi)用過程中(zhong)通過3個按(an).鍵(功能鍵(jian)<F>、累加鍵<↑>和(he)移動鍵<→>)設(she)置,因此,當(dang)管道中的(de)測量介質(zhi)和工祝條(tiao)件發生變(bian)化時,用戶(hu)通過改變(bian)其參數即(ji)可保證測(ce)量的精度(du)，且顯示和(he)輸出與當(dang)前的實際(ji)流量相對(dui)應。
　　 通過内(nei)部參數與(yu)外部參數(shu)配合使用(yong),實現了該(gai)儀表生産(chan)過程與使(shi)用過程的(de)通用性。
1.2硬(ying)件設計
　　 硬(ying)件結構如(ru)圖2所示,浮(fu)子的位置(zhi)變化通過(guo)擺杆變爲(wei)角度變化(hua)後，由電容(rong)角位移傳(chuan)感器轉換(huan)爲電壓信(xin)号,微處理(li)器通過内(nei)部集成的(de)A/D轉換器将(jiang)該信号變(bian)爲數字量(liang)進行流量(liang)計算并累(lei)計,将計算(suan)結果送液(ye)晶顯示器(qi)顯示,并通(tong)過控制PWM輸(shu)出,将當前(qian)瞬時流量(liang)以4~20mA二線制(zhi)方式遠傳(chuan);鍵盤用于(yu)外部參數(shu)設置;數字(zi)通訊接口(kou)與計算機(ji)連接進行(hang)内部參數(shu)設置。
 
1.21電容(rong)角位移傳(chuan)感器設計(ji)
　　 根據浮子(zi)行程和擺(bai)杆長度,可(ke)确定最大(da)轉角爲30°,因(yin)此設計了(le)如圖3所示(shi)的電容敏(min)感元件,其(qi)測量角位(wei)移範圍0~45*12]1,爲(wei)了減少電(dian)場邊緣效(xiao)應影響,實(shi)際使用中(zhong),電容敏感(gan)元件控制(zhi)在5~35*變化範(fan)圍。
 
　　 電容測(ce)量電路基(ji)于充放電(dian)原理,該電(dian)路具有抗(kang)寄生電容(rong)、雜散電容(rong)等分布電(dian)容特性。圖(tu)4爲電容測(ce)量電路示(shi)意圖,Vc爲充(chong)電電壓，開(kai)關K1、K2、K3、K4受時鍾(zhong)脈沖控制(zhi)。一個完整(zheng)的測量過(guo)程包括充(chong)放電兩個(ge)周期:K1與K2導(dao)通,K3與K4關斷(duan)爲充電狀(zhuang)态,将被測(ce)電容G充電(dian)到Vc;K1與K2關斷(duan),K3與K4導通爲(wei)放電狀态(tai),被測電容(rong)中的電荷(he)由電荷檢(jian)測器檢出(chu),輸出正比(bi)于被測電(dian)容的電壓(ya)信号V0
 
1.22輸出(chu)設備設計(ji)
　　輸出設備(bei)包括顯示(shi)輸出和模(mo)拟傳輸出(chu)部分。
　　雙排(pai)液晶作爲(wei)顯示輸出(chu)設備,通過(guo)rC總線接收(shou)微處理器(qi)發送的命(ming)令和數據(ju),同時顯示(shi)瞬時流量(liang)和累計流(liu)量。
　　模拟遠(yuan)傳模塊通(tong)過PWM脈寬調(diao)制完成。微(wei)處理器根(gen)據設置的(de)滿度流量(liang)和計算的(de)瞬時流量(liang),調制輸出(chu)脈沖的占(zhan)空比,通過(guo)濾波電路(lu)轉換爲正(zheng)比于瞬時(shi)流量的電(dian)壓值,并經(jing)過電壓/電(dian)流轉換接(jie)口電路,變(bian)成4~20mA電流信(xin)号實現遠(yuan)傳。
1.3軟件設(she)計
　　軟件采(cai)用模塊化(hua)設計,按功(gong)能分爲4部(bu)分:輸入、輸(shu)出、流量計(ji)算和數字(zi)通訊,各部(bu)分根據具(ju)體情況細(xi)分爲多個(ge)模塊，完成(cheng)相應功能(neng)，如圖5所示(shi)。
 
　　AD轉換器采(cai)集角位移(yi)傳感器輸(shu)出電壓信(xin)号,采集時(shi)間間隔爲(wei)10ms,采集的電(dian)壓值經數(shu)字濾波後(hou),用于流量(liang)計算;鍵盤(pan)處理模塊(kuai)采用中斷(duan)方式,根據(ju)鍵值,實現(xian)表1所示功(gong)能。
 
　　在計算(suan)模塊中,首(shou)先利用式(shi)(1)計算标定(ding)流量值,其(qi)次,根據内(nei)部參數,确(que)定測量介(jie)質種類,采(cai)用相應的(de)流量修正(zheng)議程,計算(suan)出實際工(gong)況流量,最(zui)後對瞬時(shi)流量進行(hang)累計計算(suan),并存儲于(yu)EEPROM。
2整機調試(shi)
　　采用精度(du)爲0.07%的水流(liu)量标準裝(zhuang)置對15mm口徑(jing)的浮子流(liu)量計整機(ji)進行标定(ding),該浮子量(liang)程爲0.04~0.4m³/h,标定(ding)結果如表(biao)2所示。
基本(ben)誤差計算(suan)公式爲:.
 
　　式(shi)中Ƴ爲相對(dui)誤差;Xf爲浮(fu)子流量計(ji)測量值;Xs爲(wei)标定點流(liu)量值;Xmax爲浮(fu)子流量計(ji)最大測量(liang)值。
 
　　該浮子(zi)流量計最(zui)大基本誤(wu)差爲0.75%,滿足(zu)1級浮子流(liu)量計的要(yao)求。
3結論
　　本(ben)文通用型(xing)智能金屬(shu)管浮子流(liu)量計具有(you)較高的智(zhi)能化水平(ping),通過自主(zhu)設計的角(jiao)位移傳感(gan)器将浮子(zi)位置的變(bian)化轉換爲(wei)反映角度(du)變化的電(dian)信号,利用(yong)程序預設(she)的數學模(mo)型進行流(liu)量計算,提(ti)高了計算(suan)精度,而且(qie),無需根據(ju)被測介質(zhi)的密度、工(gong)況條件和(he)流量範圍(wei)進行逐台(tai)設計制造(zao),對于同一(yi)管道傳輸(shu)多種介質(zhi)的情況,用(yong)戶可根據(ju)使用情況(kuang)在線進行(hang)設置,給生(sheng)産廠商和(he)使用者帶(dai)來極大的(de)方便。

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