渦街流量計的二次儀表設計

摘要：流量測量在經(jīng)濟建設和社會生活的各個方面得到廣泛的應用。渦街流量計通常由流量傳感器(又稱一次儀表)和流量顯示器(又稱二次儀表)組成，介紹一種流量計的設計思路，給出硬件組成和軟件框圖。
關鍵詞．渦街流量計；單片機；累積流量；瞬時流量

1 引言
    隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的不斷提高，在很多情況下需要集中監(jiān)測多個流量點，如在石油注水開采過程中，為了保持開采效果、保護地下環(huán)境及隨后分析注水數(shù)據(jù)，需要對注水量進行監(jiān)測，在油田系統(tǒng)中逐漸使用智能儀表來計量油井的出油量。計量儀表精確度的高低直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。目前，我國的流量計起步晚，起點低，還比較落后。使用單片機開發(fā)的流量計作為二次儀表是非常適用的，對油田自動化有很大的促進。

2 系統(tǒng)原理
    就整體結構而言，流量計主要由渦街流量傳感器、前置放大器、計數(shù)顯示單元組成。渦街流量傳感器主要由漩渦發(fā)生體、漩渦頻率檢測器和殼體構成，其作用是產生穩(wěn)定和強烈的漩渦，并檢出產生漩渦的頻率和輸出與漩渦頻率成正比的電信號。漩渦發(fā)生體是渦街流量計的重要元件，為了產生強烈和穩(wěn)定的渦街，并在較寬的管道雷諾數(shù)范圍內具有恒定的斯特勞哈爾數(shù)以保證儀表的線性輸出，漩渦發(fā)生體必須有一定的形狀、結構和尺寸比例，這要通過實踐來確定。

    就一般情況來說，由于檢測元件輸出的信號比較微弱且含有噪聲，所以各種檢測方式的前置放大器還應包括放大、濾波、整形等部分，合起來也稱為一次儀表。
 
    計數(shù)顯示單元也稱為流量計的二次儀表，一般由單片機系統(tǒng)構成流量顯示儀表，它對轉換器輸出的信號進行計數(shù)以實現(xiàn)對流量的記錄、存儲、計算和設置等功能。另外，還要控制液晶顯示器以顯示其測得的瞬時流量和總流量等信息。有的流量計為了與遠程計算機進行數(shù)據(jù)通信，還帶有通信接口，以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控。

    用單片機開發(fā)的儀表具有多種功能。由軟件調節(jié)非線性誤差的智能流量顯示儀是和各種脈沖輸出的一次流量測量儀表相配套的二次儀表，具有如下特點：
    ●采用微處理技術，可靠性高；
    ●采用微功耗器件，耗電少，適合電池供電；
    ●可同時顯示累積流量和瞬時流量；
    ●采用智能多段流量軟件補償技術，測量精度高；
    ●可以存儲流量。

    它的技術性能如下所述。

    輸入信號是一次儀表的頻率輸入信號，與流量傳感器相接，經(jīng)檢測、放大后得到被測介質的流量，信號頻率為0MHz~1 000Hz的脈沖信號。傳感器連接電纜的長度小于1 000m，導線電容小于0．1μF，電感小于10mH，智能流量顯示儀(二次儀表)放在計量間里，每個計量間可容納30臺顯示儀。

    輸出信號有2種：累積流量顯示是8位浮點式，開始顯示小數(shù)點后5位(0.000 00m3)，最后顯示小數(shù)點后3位(0 000．000m3)，表示儀表開始工作后的累計流量；瞬時流量顯示是4位浮點式，開始顯示小數(shù)點后2位(00．00m3)，最后顯示小數(shù)點后1位(000．Om3)，表示當前的瞬時流量。

    抗干擾：lOkW～17kW電機轉動，顯示不變化。
    準確度：無修正時為3％左右，修正后為±0．01％。
    流量修正范圍：在全流程范圍內8段進行補償修正。
    設置累積流量的補償系數(shù)位：最多8位整數(shù)。
    電源：4V～5V直流。
    總耗電：<1．0mW。
    帶LB欠壓指示。
    環(huán)境溫度范圍：-20℃～70℃。
    相對濕度：<85％。
    隔爆型外殼。

3 硬件組成
    硬件中的核心是ATMEL公司生產的AT89C51/LV51型單片機，它是低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，片內有1個4K字節(jié)的Flash可編程和可擦除只讀存儲器，采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術，其輸出引腳和指令系統(tǒng)與MSC-5l型單片機兼容。

    存儲流量用的存儲器是ATMEL公司的AT24C16系列，它是帶有2K字節(jié)Flash的可電擦除、可編程只讀存儲器。單片機的。RXD口和TXD口分別與它的SCI．和SDA相連，進行讀寫操作。
 
    測量時，用1個1s的硬件復位電路接到。RE-SET端，使單片機定時復位。單片機以省電模式工作，每次輸入、累計、顯示處理后等待喚醒，工作功耗非常小。設置補償系數(shù)時，復位腳正常連接。
 
    輸入脈沖通過分頻和74HC393鎖存后，送入單片機的P2口。在單片機內經(jīng)過程序處理后，輸出顯示信號送到P1口(數(shù)據(jù)4位，選擇信號4位)。數(shù)據(jù)中有4位送入MC14543(BCD鎖存/7段譯碼/驅動動器)中，共有12個MC14543，分別控制與累計流量8位及瞬時流量4位相連的液晶塊的顯示數(shù)據(jù)，4位選擇信號送到CD4514型譯碼器(4位鎖存，4-16線譯碼器)，選擇接收數(shù)據(jù)的MC14543型電路和浮動顯示的小數(shù)點位。

    硬件分為二部分：控制部分對流量信號進行處理，得到累積流量和瞬時流量的顯示數(shù)據(jù)，如圖1所示；顯示部分將顯示數(shù)據(jù)送到液晶顯示屏，如圖2所示。這二部分通過10針的插座J1相連。

4 軟件設計
    主程序框圖如圖3所示。

5 使用效果與改進
    本智能流量顯示儀用于現(xiàn)場測量已有5年多時間，運行可靠，測量準確，性價比非常高，易于功能擴展?，F(xiàn)已加入流量報警和控制流量大小等功能。當流量超過設定的報警值時，能發(fā)出語音報警；當設定流量控制參數(shù)后，可自動調節(jié)流量大小。該儀表也可以結合工業(yè)組態(tài)軟件MCGS或組態(tài)王，作為下位機收集流量數(shù)據(jù)，送給組態(tài)服務器進行處理。