来宝网 2013/8/1点击1145次
摘要:介绍了一种以纺锤体流量计为测量传感器的新型智能流量积算仪的设计,给出了流量测量、积算的方法,并具体阐述了积算仪硬件设计与软件实现的过程。本设计所采用的纺锤体流量计具有重复性好、精度高的特点,将其与智能流量积算仪结合起来,不但简化了结构,降低了安装成本,而且减少了中间环节,从而有效提高了测量精度。
0、引言
随着现代工业的发展,测试计量仪器在生产中的作用日益重要。流量计量直接涉及到原料的消耗、产量成本的核算,并且是系统控制的重要环节。而一般的流量积算仪,需要数台电动单元组合仪表,才能完成某一特定的计算功能。
本设计以新型的纺锤体流量计作为为测量传感器,将智能流量积算仪与测量传感器结合起来,简化了结构,提高了测量精度,降低了成本,安装也更加方便,具有很大的实用价值。
1、流量传感器
传统的节流式差压流量计一般以标准孔板或喷嘴作为节流件,由于其节流装置本身不具备调整流动和保持流动稳定的能力,会使流动产生严重的分离,导致传统节流式差压流量计存在一系列缺点:测量重复性、精确度在流量计中仅属于中等水平,且精确度难以提高;范围度窄;现场安装条件要求较高,需较长的直管段;压力损失大。
本文所设计的智能流量积算仪以纺锤体流量计为基础,结合差压、绝压、温度测量电路,共同组成流量传感器,作为积算仪的信号输入部分。纺锤体流量计(又名槽道流量计)是南京航空航天大学明晓教授发明的一种新型节流式差压流量计,该流量计以流线型纺锤体作为节流件,不仅能够很好地调整流动和保持流动稳定,而且完全避免了流动分离,从根本上使得测量重复性和精确度得到进一步提高成为可能,同时显著减少了压力损失。
纺锤体流量计节流装置的主要结构如图1所示。
图1(b)形式适用于清洁流体,可以得到最大的差压。图1(8)形式得到的差压较图1(b)形式低,但结构简单,适用范围广。
2、硬件设计
整个系统主要分为上位机和下位机两部分,硬件原理图如图2所示。
2.1物理信号的测量
差压值是整个流量积算中的主要变量,本设计采用的差压测量传感器为平板式差动电容传感器。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大等特点,很适合作为流量计的测量传感器。
图3为差动脉宽调制电路的原理图。其中c1、c2为差动式传感器的两个电容器;A1、A2是两个比较器,+E为其参考电压。
设电源接通时,双稳态触发器的Q端为高电位,Q端为低电位,A点通过R1对c1充电,F点的电位升高,当F点的电位等于参考电压+E时,比较器A1输出脉冲,使1LS触发器翻转。此时F点电位经二极管D1迅速放电至0,同时点高电位经R2向c2充电,当G点电位升至+时,比较器A2输出脉冲,使RS触发器再次翻转。如此周而复始,则在A、曰两点分别输出宽度受C。、C:调制的矩形脉冲。当C。=C:时,输出电压平均值为0。当C。、C:不相等时,C。、C:充电时间常数发生改变,输出电压的平均值不为0,经低通滤波后,就可得到一个对应被测量变化的直流电压信号,且该输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。
差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器,并具有理论上的线性特性。另外,差动脉冲调宽电路采用直流电源,其电压稳定度高,不存在稳频、波形纯度的要求,也不需要相敏检波与解调等;对元件无线性要求;经低通滤波器可输出较大的直流电压,对输出矩形波的纯度要求也不高。
温度测量采用小型铠装式铂电阻。铂电阻在很宽的范围内有相当好的稳定性,因此有极好的复现性能,是作为精密温度计的主要传感器。小型铠装式铂电阻直径小、耐腐蚀,非常适宜用做流量检测的温度测量传感器。
绝压传感器采用的是干式陶瓷电容压力传感器。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达-40℃~125℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递,过载时,膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏,当压力恢复到正常时,其性能不受任何影响。彻底解决了传统压力传感器低量程过载能力差的缺点。传感器还具有很高的温度稳定性和时间稳定性,并可以和绝大多数介质直接接触,加之是干式陶瓷膜片,故不受安装方向影响,使用十分方便。
2.2主模块
由变送器送来的各路信号经A/D转换后送单片机系统,经微处理机进行相应的标度变换、校正等运算处理后,求得实际差压、绝压、温度及流量值,累计后得到积算流量。
单片机采用SST公司的SST89E564RD,该单片机全兼容8051系列MCS-51单片机,可靠性高、稳定性好。内嵌两块小扇区的Flash存储器,任意一块均可作为数据或程序存储器;64kB非易失数据存储器,掉电后数据不丢失,适合环境恶劣的工业现场;1kB容量的内部数据RAM,C语言编程更方便;自带SPI串行接口,与SPI接口器件的连接更方便。A/D转换采用ADI公司的AD7707,这是一个3V/5V工作电压、3通道、16位的.△型A/D转换器。AD7707具有2个低输入电压通道和1个高达10V的高输人电压通道,可以直接测量干式陶瓷电容压力传感器所输出的测量信号。内置1-128倍可编程增益。三线制串行接口兼容SPI串行总线协议,可以在占用很少单片机I/O口的情况下与单片机进行通信。
AD7707与单片机的连接方式如图4所示。
实时时钟采用Dallas公司推出的DS1302。在长时间无人值守的测控系统中,经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间,若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断、查询等,同样耗费单片机的资源,而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片,可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5V~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器,并具有主电源/后备电源双电源引脚,同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
此外,由于系统处理的都是即时数据,对系统的稳定性要求较高,因此在硬件电路上采用了硬件看门狗电路(MAX813L),以提高系统的稳定性。
2.3键盘显示及通信模块
根据工业现场的要求,流量积算仪面板设计了16位/双8位七段译码器作为显示器,由2片MAX7221驱动。MAX7221兼容SPI标准,能够通过3根线控制8位七段译码器,且可通过多芯片级联增加控制位数,本设计中就采用了2片MAX7221级联来控制16位七段译码器。面板上还设计了一个4×4键盘,用于设定系统工作方式及各种参数。下位机通过RS一485串行通信接口与上位机相联,采用MAXIM公司的MAX487作为驱动器。
MAX487的输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的4倍,因此可在总线上连接多达128台下位机。考虑到通信成本和通信距离,在上位机端,通过RS-485/RS-232转换器实现RS-232总线与上位机通信,电平转换芯片采用MAX232。
3、软件实现
由于流量计量系统涉及到大量的数据处理,编程难度较大,汇编语言虽然代码效率较高,但开发效率低、程序的可移植性差,所以本系统采用c语言作为系统程序的编写语言。
软件基本流程如图5所示。
3.1初始化模块
系统启动后,先对中断控制寄存器INTC、RA口、RB口及OPTION等特殊功能寄存器进行初始化操作,还要对一些RAM单元进行清零操作。
3.3显示与键盘处理模块
键盘模块在按键按下后,根据不同按键进行相应的处理,按键使用外部中断,在中断服务程序中执行相应功能,以节约单片机资源。显示模块用来显示测量的数据和系统设置的提示,在单片机内部RAM区中开辟出一段显示缓冲区,该模块将缓冲区的内容显示到面板上。
3.4通信模块
MAX487采用半双工方式工作,为了进行数据发送与接收,必须先对RE/DE引脚进行设置。在主机端,进行一个数据帧的传送之前,主机先发送目标从机地址,并等待从机返回的地址确认信息,若在规定时间内收到确认信息,则进行通信,否则产生一个超时错误,并从设备列表中删除该设备。在从机端,所有的从机都是通信过程中的被叫端,始终处于地址监听状态,每收到一个数据都与本机地址进行对比,如与本机地址一致,则立即对主机的呼叫进行响应,否则不予响应。
4、结束语
采用纺锤体流量计为测量传感器,结合以单片机为核心构成的流量积算仪,可灵活、精确地测量各种液体和气体的温度、压力、流量以及积算流量,结构简单、安装方便,工作参数可随测量对象的不同随时更改,还能将结果通过串行通信与上位机构成主从分布式网络,是一种非常实用的智能化仪表。
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