摘(zhai)要:本(ben)文設(she)計了(le)一種(zhong)配置(zhi)微處(chu)理器(qi)的通(tong)用型(xing)智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji) ,該流(liu)量計(ji)可靈(ling)活地(di)計算(suan)、修正(zheng)流量(liang),并通(tong)過參(can)數配(pei)置,實(shi)現不(bu)同介(jie)質及(ji)工況(kuang)條件(jian)下的(de)流量(liang)測量(liang)，爲石(shi)化、造(zao)紙、化(hua)工等(deng)行業(ye)同一(yi)管道(dao)傳輸(shu)不同(tong)種類(lei)或工(gong)況介(jie)質的(de)流量(liang)測量(liang)提供(gong)了解(jie)決方(fang)案。
0引(yin)言
　　 浮(fu)子流(liu)量計(ji) 安裝(zhuang)方便(bian)、堅固(gu)可靠(kao)、耐高(gao)溫高(gao)壓,廣(guang)泛應(ying)用于(yu)液體(ti)、氣體(ti)、蒸汽(qi)等介(jie)質流(liu)量的(de)測量(liang)和自(zi)動控(kong)制系(xi)統，特(te)别适(shi)合于(yu)精細(xi)化工(gong)、化肥(fei)、石化(hua).乙烯(xi)、冶金(jin)、造紙(zhi)等行(hang)業的(de)高溫(wen)高壓(ya)、易燃(ran)易爆(bao)、強腐(fu)蝕介(jie)質的(de)測量(liang)過程(cheng)。
 
　　傳統(tong)的機(ji)械式(shi)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji),由于(yu)其局(ju)限性(xing),無法(fa)進行(hang)流量(liang)的正(zheng)确計(ji)量。即(ji)便是(shi)改進(jin)型的(de)機械(xie)式金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計,用(yong)凸輪(lun)闆和(he)轉角(jiao)變送(song)器進(jin)行修(xiu)正，雖(sui)能提(ti)高精(jing)度,但(dan)凸輪(lun)闆的(de)加工(gong)需要(yao)考慮(lü)不同(tong)測量(liang)介質(zhi)及工(gong)況條(tiao)件,且(qie)機加(jia)工的(de)複雜(za)度高(gao),流量(liang)計量(liang)的精(jing)度仍(reng)受到(dao)加工(gong)精度(du)的限(xian)制。因(yin)此,設(she)計了(le)一種(zhong)可以(yi)通過(guo)微處(chu)理器(qi)靈活(huo)配置(zhi)參數(shu)、适應(ying)不同(tong)測量(liang)介質(zhi)和工(gong)況條(tiao)件的(de)通用(yong)型智(zhi)能金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計,其(qi)結構(gou)如圖(tu)1所示(shi)。通過(guo)自行(hang)設計(ji)的角(jiao)位移(yi)傳感(gan)器将(jiang)浮子(zi)位置(zhi)的變(bian)化轉(zhuan)換爲(wei)反映(ying)角度(du)變化(hua)的電(dian)信号(hao),利用(yong)程序(xu)預設(she)的數(shu)字模(mo)型進(jin)行流(liu)量計(ji)算，克(ke)服了(le)凸輪(lun)式機(ji)械結(jie)構進(jin)行流(liu)量計(ji)算固(gu)有的(de)弊端(duan)。
1通用(yong)型智(zhi)能金(jin)屬浮(fu)子流(liu)量計(ji)設計(ji)
　　本文(wen)開發(fa)了一(yi)種人(ren)機界(jie)面友(you)好,具(ju)有流(liu)量自(zi)動修(xiu)正功(gong)能,廣(guang)泛适(shi)用于(yu)液體(ti)、氣體(ti)及不(bu)同工(gong)況條(tiao)件的(de)通用(yong)型智(zhi)能金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計。
1.1配(pei)置參(can)數設(she)計
　　爲(wei)提高(gao)計算(suan)精度(du),靈活(huo)進行(hang)參數(shu)配置(zhi)以适(shi)應不(bu)同工(gong)況條(tiao)件,将(jiang)配置(zhi)參數(shu)分爲(wei)内部(bu)和外(wai)部參(can)數兩(liang)類。
1.1.1内(nei)部參(can)數配(pei)置
　　内(nei)部參(can)數包(bao)括浮(fu)子密(mi)度、口(kou)徑、測(ce)量介(jie)質種(zhong)類、測(ce)量範(fan)圍以(yi)及本(ben)機儀(yi)表系(xi)數,由(you)配置(zhi)軟件(jian)在出(chu)廠标(biao)定時(shi)設置(zhi)。該軟(ruan)件運(yun)行于(yu)Windows平台(tai),将浮(fu)子标(biao)定過(guo)程與(yu)内部(bu)參數(shu)配置(zhi)融合(he)爲一(yi)體,其(qi)工作(zuo)過程(cheng)如下(xia):
(1)設定(ding)編号(hao)、口徑(jing)、标定(ding)點數(shu)、浮子(zi)密度(du)和測(ce)量介(jie)質，爲(wei)方便(bian)使用(yong),可選(xuan)是否(fou)正反(fan)行程(cheng)标定(ding);
(2)選擇(ze)測量(liang)範圍(wei);
(3)開始(shi)實際(ji)标定(ding),産生(sheng)角位(wei)移傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)電壓(ya)與标(biao)定點(dian)流量(liang)的對(dui)應列(lie)表;
(4)自(zi)動進(jin)行數(shu)據拟(ni)合,計(ji)算本(ben)機儀(yi)表系(xi)數,并(bing)将内(nei)部參(can)數寫(xie)入浮(fu)子流(liu)量計(ji)。
　　計算(suan)機與(yu)智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)通訊(xun)采用(yong)異步(bu)串行(hang)通訊(xun)方式(shi),由于(yu)通用(yong)串行(hang)通訊(xun)協議(yi)較複(fu)雜,因(yin)此,自(zi)定義(yi)了一(yi)種簡(jian)化通(tong)訊協(xie)議,其(qi)幀格(ge)式爲(wei):
幀首(shou)　方向(xiang)标志(zhi)　命令(ling)　數據(ju)　校驗(yan)　幀尾(wei)
　　 其中(zhong)方向(xiang)标志(zhi)表示(shi)數據(ju)的傳(chuan)送方(fang)向。“>”爲(wei)下行(hang)标志(zhi)(0x3E),表示(shi)數據(ju)由計(ji)算機(ji)發送(song)到智(zhi)能浮(fu)子流(liu)量計(ji);“<”爲.上(shang)行标(biao)志(0x3C),表(biao)示數(shu)據由(you)智能(neng)浮子(zi)流量(liang)計發(fa)送到(dao)計算(suan)機。
　　 根(gen)據功(gong)能的(de)不同(tong),設計(ji)8種通(tong)訊幀(zhen),其中(zhong)下行(hang)幀5種(zhong)，分别(bie)爲電(dian)壓采(cai)集幀(zhen)、寫配(pei)置參(can)數幀(zhen)、讀配(pei)置參(can)數幀(zhen)、寫産(chan)品标(biao)識幀(zhen)和讀(du)産品(pin)标識(shi)幀;上(shang)行幀(zhen)3種,分(fen)别爲(wei)電壓(ya)上傳(chuan)幀、配(pei)置參(can)數.上(shang)傳幀(zhen)和産(chan)品标(biao)識上(shang)傳幀(zhen)。下行(hang)幀包(bao)括命(ming)令标(biao)志,上(shang)行幀(zhen)省略(lue)命令(ling)标志(zhi)。
1.1.2外部(bu)參數(shu)設置(zhi)
　　 外部(bu)參數(shu)包括(kuo)被測(ce)介質(zhi)密度(du)、顯示(shi)精度(du)、顯示(shi)單位(wei)和滿(man)量程(cheng)流量(liang),當測(ce)量介(jie)質爲(wei)氣體(ti)時，還(hai)需設(she)置工(gong)況溫(wen)度和(he)工況(kuang)壓力(li)。外部(bu)參數(shu)可由(you)用戶(hu)在使(shi)用過(guo)程中(zhong)通過(guo)3個按(an).鍵(功(gong)能鍵(jian)<F>、累加(jia)鍵<↑>和(he)移動(dong)鍵<→>)設(she)置,因(yin)此,當(dang)管道(dao)中的(de)測量(liang)介質(zhi)和工(gong)祝條(tiao)件發(fa)生變(bian)化時(shi),用戶(hu)通過(guo)改變(bian)其參(can)數即(ji)可保(bao)證測(ce)量的(de)精度(du)，且顯(xian)示和(he)輸出(chu)與當(dang)前的(de)實際(ji)流量(liang)相對(dui)應。
　　 通(tong)過内(nei)部參(can)數與(yu)外部(bu)參數(shu)配合(he)使用(yong),實現(xian)了該(gai)儀表(biao)生産(chan)過程(cheng)與使(shi)用過(guo)程的(de)通用(yong)性。
1.2硬(ying)件設(she)計
　　 硬(ying)件結(jie)構如(ru)圖2所(suo)示,浮(fu)子的(de)位置(zhi)變化(hua)通過(guo)擺杆(gan)變爲(wei)角度(du)變化(hua)後，由(you)電容(rong)角位(wei)移傳(chuan)感器(qi)轉換(huan)爲電(dian)壓信(xin)号,微(wei)處理(li)器通(tong)過内(nei)部集(ji)成的(de)A/D轉換(huan)器将(jiang)該信(xin)号變(bian)爲數(shu)字量(liang)進行(hang)流量(liang)計算(suan)并累(lei)計,将(jiang)計算(suan)結果(guo)送液(ye)晶顯(xian)示器(qi)顯示(shi),并通(tong)過控(kong)制PWM輸(shu)出,将(jiang)當前(qian)瞬時(shi)流量(liang)以4~20mA二(er)線制(zhi)方式(shi)遠傳(chuan);鍵盤(pan)用于(yu)外部(bu)參數(shu)設置(zhi);數字(zi)通訊(xun)接口(kou)與計(ji)算機(ji)連接(jie)進行(hang)内部(bu)參數(shu)設置(zhi)。
 
1.21電容(rong)角位(wei)移傳(chuan)感器(qi)設計(ji)
　　 根據(ju)浮子(zi)行程(cheng)和擺(bai)杆長(zhang)度,可(ke)确定(ding)最大(da)轉角(jiao)爲30°,因(yin)此設(she)計了(le)如圖(tu)3所示(shi)的電(dian)容敏(min)感元(yuan)件,其(qi)測量(liang)角位(wei)移範(fan)圍0~45*12]1,爲(wei)了減(jian)少電(dian)場邊(bian)緣效(xiao)應影(ying)響,實(shi)際使(shi)用中(zhong),電容(rong)敏感(gan)元件(jian)控制(zhi)在5~35*變(bian)化範(fan)圍。
 
　　 電(dian)容測(ce)量電(dian)路基(ji)于充(chong)放電(dian)原理(li),該電(dian)路具(ju)有抗(kang)寄生(sheng)電容(rong)、雜散(san)電容(rong)等分(fen)布電(dian)容特(te)性。圖(tu)4爲電(dian)容測(ce)量電(dian)路示(shi)意圖(tu),Vc爲充(chong)電電(dian)壓，開(kai)關K1、K2、K3、K4受(shou)時鍾(zhong)脈沖(chong)控制(zhi)。一個(ge)完整(zheng)的測(ce)量過(guo)程包(bao)括充(chong)放電(dian)兩個(ge)周期(qi):K1與K2導(dao)通,K3與(yu)K4關斷(duan)爲充(chong)電狀(zhuang)态,将(jiang)被測(ce)電容(rong)G充電(dian)到Vc;K1與(yu)K2關斷(duan),K3與K4導(dao)通爲(wei)放電(dian)狀态(tai),被測(ce)電容(rong)中的(de)電荷(he)由電(dian)荷檢(jian)測器(qi)檢出(chu),輸出(chu)正比(bi)于被(bei)測電(dian)容的(de)電壓(ya)信号(hao)V0
 
1.22輸出(chu)設備(bei)設計(ji)
　　輸出(chu)設備(bei)包括(kuo)顯示(shi)輸出(chu)和模(mo)拟傳(chuan)輸出(chu)部分(fen)。
　　雙排(pai)液晶(jing)作爲(wei)顯示(shi)輸出(chu)設備(bei),通過(guo)rC總線(xian)接收(shou)微處(chu)理器(qi)發送(song)的命(ming)令和(he)數據(ju),同時(shi)顯示(shi)瞬時(shi)流量(liang)和累(lei)計流(liu)量。
　　模(mo)拟遠(yuan)傳模(mo)塊通(tong)過PWM脈(mo)寬調(diao)制完(wan)成。微(wei)處理(li)器根(gen)據設(she)置的(de)滿度(du)流量(liang)和計(ji)算的(de)瞬時(shi)流量(liang),調制(zhi)輸出(chu)脈沖(chong)的占(zhan)空比(bi),通過(guo)濾波(bo)電路(lu)轉換(huan)爲正(zheng)比于(yu)瞬時(shi)流量(liang)的電(dian)壓值(zhi),并經(jing)過電(dian)壓/電(dian)流轉(zhuan)換接(jie)口電(dian)路,變(bian)成4~20mA電(dian)流信(xin)号實(shi)現遠(yuan)傳。
1.3軟(ruan)件設(she)計
　　軟(ruan)件采(cai)用模(mo)塊化(hua)設計(ji),按功(gong)能分(fen)爲4部(bu)分:輸(shu)入、輸(shu)出、流(liu)量計(ji)算和(he)數字(zi)通訊(xun),各部(bu)分根(gen)據具(ju)體情(qing)況細(xi)分爲(wei)多個(ge)模塊(kuai)，完成(cheng)相應(ying)功能(neng)，如圖(tu)5所示(shi)。
 
　　AD轉換(huan)器采(cai)集角(jiao)位移(yi)傳感(gan)器輸(shu)出電(dian)壓信(xin)号,采(cai)集時(shi)間間(jian)隔爲(wei)10ms,采集(ji)的電(dian)壓值(zhi)經數(shu)字濾(lü)波後(hou),用于(yu)流量(liang)計算(suan);鍵盤(pan)處理(li)模塊(kuai)采用(yong)中斷(duan)方式(shi),根據(ju)鍵值(zhi),實現(xian)表1所(suo)示功(gong)能。
 
　　在(zai)計算(suan)模塊(kuai)中,首(shou)先利(li)用式(shi)(1)計算(suan)标定(ding)流量(liang)值,其(qi)次,根(gen)據内(nei)部參(can)數,确(que)定測(ce)量介(jie)質種(zhong)類,采(cai)用相(xiang)應的(de)流量(liang)修正(zheng)議程(cheng),計算(suan)出實(shi)際工(gong)況流(liu)量,最(zui)後對(dui)瞬時(shi)流量(liang)進行(hang)累計(ji)計算(suan),并存(cun)儲于(yu)EEPROM。
2整機(ji)調試(shi)
　　采用(yong)精度(du)爲0.07%的(de)水流(liu)量标(biao)準裝(zhuang)置對(dui)15mm口徑(jing)的浮(fu)子流(liu)量計(ji)整機(ji)進行(hang)标定(ding),該浮(fu)子量(liang)程爲(wei)0.04~0.4m³/h,标定(ding)結果(guo)如表(biao)2所示(shi)。
基本(ben)誤差(cha)計算(suan)公式(shi)爲:.
 
　　式(shi)中Ƴ爲(wei)相對(dui)誤差(cha);Xf爲浮(fu)子流(liu)量計(ji)測量(liang)值;Xs爲(wei)标定(ding)點流(liu)量值(zhi);Xmax爲浮(fu)子流(liu)量計(ji)最大(da)測量(liang)值。
 
　　該(gai)浮子(zi)流量(liang)計最(zui)大基(ji)本誤(wu)差爲(wei)0.75%,滿足(zu)1級浮(fu)子流(liu)量計(ji)的要(yao)求。
3結(jie)論
　　本(ben)文通(tong)用型(xing)智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)具有(you)較高(gao)的智(zhi)能化(hua)水平(ping),通過(guo)自主(zhu)設計(ji)的角(jiao)位移(yi)傳感(gan)器将(jiang)浮子(zi)位置(zhi)的變(bian)化轉(zhuan)換爲(wei)反映(ying)角度(du)變化(hua)的電(dian)信号(hao),利用(yong)程序(xu)預設(she)的數(shu)學模(mo)型進(jin)行流(liu)量計(ji)算,提(ti)高了(le)計算(suan)精度(du),而且(qie),無需(xu)根據(ju)被測(ce)介質(zhi)的密(mi)度、工(gong)況條(tiao)件和(he)流量(liang)範圍(wei)進行(hang)逐台(tai)設計(ji)制造(zao),對于(yu)同一(yi)管道(dao)傳輸(shu)多種(zhong)介質(zhi)的情(qing)況,用(yong)戶可(ke)根據(ju)使用(yong)情況(kuang)在線(xian)進行(hang)設置(zhi),給生(sheng)産廠(chang)商和(he)使用(yong)者帶(dai)來極(ji)大的(de)方便(bian)。

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