涡街流量计的二次仪表设计
流量测量在经济建设、社会生活各个方面有着广泛的应用。长期以来人类根据不同的测量原理,研制出丰富多样的流量计。在石油注水开采过程中,为了保持开采效果、保护地下环境以及日后分析注水数据,需要对注水量进行监测,在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的出油量。计量仪表精确度的高低,直接影响着企业的经济效益。使用单片机开发的流量计作为二次开发仪表,对油田自动化有很大的促进作用。
1 系统原理
流量计主要由涡街流量传感器、前置放大器、计数显示单元等部分组成。涡街流量传感器主要由漩涡发生体、漩涡频率检测部分和壳体构成,其作用是产生稳定、强烈的漩涡,并检出产生漩涡的频率和输出与漩涡频率成正比的电信号。漩涡发生体是涡街流量计的重要元件,为了产生强烈稳定的涡街,并在较宽的管道雷诺数范围内具有恒定的斯特劳哈尔数,以保证仪表的线性输出,漩涡发生体应有一定的形状、结构和尺寸比例,这需要通过实践方能确定。
一般情况下,由于检测元件输出的信号比较微弱且含有噪声,所以各种检测方式的前置放大器还应包括放大、滤波、整形等部分,合起来也称为一次仪表部分。
计数显示单元被称为流量计的二次仪表,一般由一个单片机系统构成流量显示仪表,负责对转换器输出的信号进行计数以实现对流量的记录、存储、计算、设置等功能。另外,还要控制一个液晶显示器以显示其测得的瞬时流量和总流量等信息。有的流量计为了与远程的计算机进行数据通信,还带有通信接口,以实现动态监控。
用单片机开发出来的,具有多功能、软件调节非线性误差的智能流量显示仪是和各种脉冲输出的一次流量测量仪表相配套的二次仪表,具有如下特点:
(1)采用微处理技术,可靠性高;
(2)采用微功耗器件,耗电低,适合电池供电;
(3)可同时显示累积流量和瞬时流量;
(4)采用智能多段流量软件补偿技术,测量精度高;
(5)可以存储流量。
技术性能如下:
(1)输入信号:一次仪表的频率输入。与流量传感器相接,经检测、放大得被测介质的流量,信号频率为0-1000Hz的脉冲信号。传感器连接电缆梯度小于1000m,要求导线电容小于0.1μF,电感小于10mH,智能流量显示仪(二次仪表)放在计量间里,每个计量间可容纳30个。
(2)输出信号:①累积流量显示:8位浮点式,开始显示小数点后5位:0.00000m3,最后显示小数点后3位:0000.000m3。表示从仪表开始工作后的累计流量。②瞬时流量显示:4位浮点式,开始显示小数点后2位:00.00m3,最后显示小数点1位:000.0m3。表示当前的瞬时流量。
(3)抗干扰:10~17kW电机转动,显示无变化。
(4)准确度:无修正时3%左右,修正后为±0.01%。
(5)流量修正范围:在全流程范围内8段进行补偿修正。
(6)设置累积流量补偿系数位:最多8位整数。
(7 )电源:4-5V直流。
(8)总耗电:<1.0mW。
(9)带LB欠压指示。
(10)环境温度:-20-+70 。
(11)相对湿度:<85%。
(12)隔爆型外壳设计。
2 硬件组成
(1)硬件中的核心是ATMEL生产的AT89C51/LV51单片机,它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机,片内带有一个4k字节的Flash可编程可擦除只读存储器,采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术,其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。
(2)存储流量用的存储器是ATMEL生产的AT24C16系列,它是一种带有闪2k字节的可电擦除。可编程的只读存储器。通过单片机的RXD和TXD口与它的SCL和SDA分别相连,进行读写操作。
(3)测量时,有一个1s的硬件复位电路接到RESET端,使单片机定时复位。单片机采用省电模式工作,每次输入、累计、显示处理后等待唤醒,功耗小。设置补偿系数时,复位脚正常连接。
(4)输入脉冲通过分频、74HC393锁存后,送人单片机的P2口。在单片机内经过程序处理后,输出显示信号送到P1 口(数据4位,选择信号4位)。数据中4位送入MC14543(BCD――锁存/7段译码/驱动器)中。共有12个MC14543,分别控制着与累计流量8位及瞬时流量4位相连的液晶块的显示数据,4位选择信号送到CD4514译码器(4位锁存/4-16线译码器),选择接收数据的MC14543芯片和浮动显示的小数点位。
(5)硬件分以下两部分:
①控制部分如图1所示。对流量信号处理,得到累积流量和瞬时流量的显示数据。
②显示部分将显示数据送到液晶显示屏。两部分通过一个10针的插座J1相连。
注:
(1)单片机P2口(p20-p27)接经过分频得频率信号输入(8位)。
(2)单片机的P3.4(T0)接按键:“设定键”;P3.5(T1)接按键:“确定键”;P3.2(Int0)接按键:“移位键”;P3.3(Int1)接按键:“加一键”。
(3)P3.1(TXD)接AT24C16的SDA,P3.0(RXD)接AT24C16的SCL。
(4)开关K的1、3接通时设置补偿系数,单片机的RESET2正常接复位电路;K的2接通时仪表正常使用;K的2、3、4接通时显示输入的频率值。
(5)单片机的P0端空闲,等仪表出厂时,可以将单片机的PO口中的若干引脚烧掉,以保护开发者的劳动成果,相关知识可查阅单片机的程序加密方法。
3 软件设计部分
主程序框图如图2所示。
4 使用效果与改进
本智能流量显示仪用于现场测量已有5年多,运行可靠,测量准确,性价比非常低,易于功能扩展。现已加入流量报警、控制流量大小等功能。当流量超过设定的报警值时,能发出语音报警;当设定流量控制参数后,可自动调节流量大小。该仪表也可以结合工业组态软件mcgs或组态王,作为下位机收集流量数据,送给组态服务器来处理。
参考文献
1 李华 MCG-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社出版,1997。
2 李广弟 单片机基础.北京航空航天大学出版社出版,1994。