摘要:本文設計了一種配置微處理器的通用型智能金屬管浮子流量計,該流量計可靈活地計算、修正流量,并通過參數(shù)配置,實現(xiàn)不同介質(zhì)及工況條件下的流量測量，為石化、造紙、化工等行業(yè)同一管道傳輸不同種類或工況介質(zhì)的流量測量提供了解決方案。
0引言
浮子流量計安裝方便、堅固可靠、耐高溫高壓,廣泛應用于液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)流量的測量和自動控制系統(tǒng)，特別適合于精細化工、化肥、石化.乙烯、冶金、造紙等行業(yè)的高溫高壓、易燃易爆、強腐蝕介質(zhì)的測量過程。
傳統(tǒng)的機械式金屬管浮子流量計,由于其局限性,無法進行流量的正確計量。即便是改進型的機械式金屬管浮子流量計,用凸輪板和轉(zhuǎn)角變送器進行修正，雖能提高精度,但凸輪板的加工需要考慮不同測量介質(zhì)及工況條件,且機加工的復雜度高,流量計量的精度仍受到加工精度的限制。因此,設計了一種可以通過微處理器靈活配置參數(shù)、適應不同測量介質(zhì)和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計,其結構如圖1所示。通過自行設計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號,利用程序預設的數(shù)字模型進行流量計算，克服了凸輪式機械結構進行流量計算固有的弊端。
1通用型智能金屬浮子流量計設計
本文開發(fā)了一種人機界面友好,具有流量自動修正功能,廣泛適用于液體、氣體及不同工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計。
1.1配置參數(shù)設計
為提高計算精度,靈活進行參數(shù)配置以適應不同工況條件,將配置參數(shù)分為內(nèi)部和外部參數(shù)兩類。
1.1.1內(nèi)部參數(shù)配置
內(nèi)部參數(shù)包括浮子密度、口徑、測量介質(zhì)種類、測量范圍以及本機儀表系數(shù),由配置軟件在出廠標定時設置。該軟件運行于Windows平臺,將浮子標定過程與內(nèi)部參數(shù)配置融合為一體,其工作過程如下:
(1)設定編號、口徑、標定點數(shù)、浮子密度和測量介質(zhì)，為方便使用,可選是否正反行程標定;
(2)選擇測量范圍;
(3)開始實際標定,產(chǎn)生角位移傳感器輸出電壓與標定點流量的對應列表;
(4)自動進行數(shù)據(jù)擬合,計算本機儀表系數(shù),并將內(nèi)部參數(shù)寫入浮子流量計。
計算機與智能金屬管浮子流量計通訊采用異步串行通訊方式,由于通用串行通訊協(xié)議較復雜,因此,自定義了一種簡化通訊協(xié)議,其幀格式為:
幀首 方向標志 命令 數(shù)據(jù) 校驗 幀尾
其中方向標志表示數(shù)據(jù)的傳送方向。“>”為下行標志(0x3E),表示數(shù)據(jù)由計算機發(fā)送到智能浮子流量計;“<”為.上行標志(0x3C),表示數(shù)據(jù)由智能浮子流量計發(fā)送到計算機。
根據(jù)功能的不同,設計8種通訊幀,其中下行幀5種，分別為電壓采集幀、寫配置參數(shù)幀、讀配置參數(shù)幀、寫產(chǎn)品標識幀和讀產(chǎn)品標識幀;上行幀3種,分別為電壓上傳幀、配置參數(shù).上傳幀和產(chǎn)品標識上傳幀。下行幀包括命令標志,上行幀省略命令標志。
1.1.2外部參數(shù)設置
外部參數(shù)包括被測介質(zhì)密度、顯示精度、顯示單位和滿量程流量,當測量介質(zhì)為氣體時，還需設置工況溫度和工況壓力。外部參數(shù)可由用戶在使用過程中通過3個按.鍵(功能鍵<F>、累加鍵<↑>和移動鍵<→>)設置,因此,當管道中的測量介質(zhì)和工祝條件發(fā)生變化時,用戶通過改變其參數(shù)即可保證測量的精度，且顯示和輸出與當前的實際流量相對應。
通過內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)配合使用,實現(xiàn)了該儀表生產(chǎn)過程與使用過程的通用性。
1.2硬件設計
硬件結構如圖2所示,浮子的位置變化通過擺桿變?yōu)榻嵌茸兓螅呻娙萁俏灰苽鞲衅鬓D(zhuǎn)換為電壓信號,微處理器通過內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將該信號變?yōu)閿?shù)字量進行流量計算并累計,將計算結果送液晶顯示器顯示,并通過控制PWM輸出,將當前瞬時流量以4~20mA二線制方式遠傳;鍵盤用于外部參數(shù)設置;數(shù)字通訊接口與計算機連接進行內(nèi)部參數(shù)設置。
1.21電容角位移傳感器設計
根據(jù)浮子行程和擺桿長度,可確定最大轉(zhuǎn)角為30°,因此設計了如圖3所示的電容敏感元件,其測量角位移范圍0~45*12]1,為了減少電場邊緣效應影響,實際使用中,電容敏感元件控制在5~35*變化范圍。
電容測量電路基于充放電原理,該電路具有抗寄生電容、雜散電容等分布電容特性。圖4為電容測量電路示意圖,Vc為充電電壓，開關K1、K2、K3、K4受時鐘脈沖控制。一個完整的測量過程包括充放電兩個周期:K1與K2導通,K3與K4關斷為充電狀態(tài),將被測電容G充電到Vc;K1與K2關斷,K3與K4導通為放電狀態(tài),被測電容中的電荷由電荷檢測器檢出,輸出正比于被測電容的電壓信號V0
1.22輸出設備設計
輸出設備包括顯示輸出和模擬傳輸出部分。
雙排液晶作為顯示輸出設備,通過rC總線接收微處理器發(fā)送的命令和數(shù)據(jù),同時顯示瞬時流量和累計流量。
模擬遠傳模塊通過PWM脈寬調(diào)制完成。微處理器根據(jù)設置的滿度流量和計算的瞬時流量,調(diào)制輸出脈沖的占空比,通過濾波電路轉(zhuǎn)換為正比于瞬時流量的電壓值,并經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換接口電路,變成4~20mA電流信號實現(xiàn)遠傳。
1.3軟件設計
軟件采用模塊化設計,按功能分為4部分:輸入、輸出、流量計算和數(shù)字通訊,各部分根據(jù)具體情況細分為多個模塊，完成相應功能，如圖5所示。
AD轉(zhuǎn)換器采集角位移傳感器輸出電壓信號,采集時間間隔為10ms,采集的電壓值經(jīng)數(shù)字濾波后,用于流量計算;鍵盤處理模塊采用中斷方式,根據(jù)鍵值,實現(xiàn)表1所示功能。
在計算模塊中,首先利用式(1)計算標定流量值,其次,根據(jù)內(nèi)部參數(shù),確定測量介質(zhì)種類,采用相應的流量修正議程,計算出實際工況流量,最后對瞬時流量進行累計計算,并存儲于EEPROM。
2整機調(diào)試
采用精度為0.07%的水流量標準裝置對15mm口徑的浮子流量計整機進行標定,該浮子量程為0.04~0.4m³/h,標定結果如表2所示。
基本誤差計算公式為:.
式中Ƴ為相對誤差;Xf為浮子流量計測量值;Xs為標定點流量值;Xmax為浮子流量計最大測量值。
該浮子流量計最大基本誤差為0.75%,滿足1級浮子流量計的要求。
3結論
本文通用型智能金屬管浮子流量計具有較高的智能化水平,通過自主設計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號,利用程序預設的數(shù)學模型進行流量計算,提高了計算精度,而且,無需根據(jù)被測介質(zhì)的密度、工況條件和流量范圍進行逐臺設計制造,對于同一管道傳輸多種介質(zhì)的情況,用戶可根據(jù)使用情況在線進行設置,給生產(chǎn)廠商和使用者帶來極大的方便。
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