多功能超小流量計的設計

    0 引言

    流量計是測量流過(guò)管道液體的總量和瞬時(shí)流量的一種儀器，該儀器使用范圍很廣，在化工企業(yè)、洗衣機廠(chǎng)家以及實(shí)驗室等場(chǎng)所得到廣泛的應用。

    流量計種類(lèi)多樣，有孔板流量計、渦輪流量計、渦街流量計和轉子流量計等，對小流量的測量大部分采用渦輪流量計，其優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、測量精度高。

    目前超小流量的測量幾乎是空白，其最主要原因是由于其瞬時(shí)流量較小，流量的液體不能帶動(dòng)渦輪轉動(dòng)，即使能帶動(dòng)，其測量誤差也較大，解決此問(wèn)題的方法只能減小流量計的口徑，這將大大增加制造工藝的難度；另一方面，因為小口徑渦輪流量計的口徑小，受外界水壓的干擾特別明顯，當管道水壓稍有變化時(shí)就會(huì )導致流量計產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而產(chǎn)生測量誤差。近期隨著(zhù)“洗衣機烘干檢測標準”的出臺，洗衣機廠(chǎng)家對超小流量計的需求將大大增加。因此，研究和設計超小流量計就顯得非常必要。

    1 設計方案

    根據需求，該流量計的設計需要具有一些功能：1）具有積算系數存儲功能，并且能將流量積算系數存入傳感器探頭內； 2）關(guān)機后，累積流量仍然保存在流量計內，不丟失； 3）流量積算系數可以通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行修改；4）瞬時(shí)流量和累積流量通過(guò)LCD同時(shí)顯示；5）瞬時(shí)流量和累積流量通過(guò)RS485口送至PC機。

    本流量計由流量采集、放大、數據處理、按鍵處理、顯示、數據通訊和系統軟件等組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

    2 流量計的設計

    2.1 總體設計

    系統中的4臺流量計分別通過(guò)RS485口與系統PC機進(jìn)行通訊。每臺流量計都采用兩片單片機，一片用于采集數據，信號處理；另一片用于數據處理，送LED顯示并實(shí)現通訊功能。每臺流量計的原理框圖如圖2所示。

圖2 一臺流量計內部原理框圖

    2.2 流量傳感器的設計

    根據市場(chǎng)的需要，流量計應選擇測量范圍寬、精度較高的傳感器。符合這兩個(gè)要求的流量計有三種：容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計和渦輪流量計。

    容積式流量計的顯著(zhù)特點(diǎn)是精度高，但該流量計的缺點(diǎn)是結構復雜、體積大、笨重，被測介質(zhì)種類(lèi)、介質(zhì)工況（溫度、壓力） 、口徑局限性較大，適應范圍窄。大部分容積式流量只適用潔凈單相流體，當含有顆粒、臟污物時(shí)上游需裝過(guò)濾器，既增加壓損，又增加維護工作。

    科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線(xiàn)運動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jì)x表。該流量計的特點(diǎn)是直接測量質(zhì)量流量，有很高的測量精確度。但該流量計的缺點(diǎn)是零點(diǎn)不穩定形成零點(diǎn)漂移，影響其精確度的進(jìn)一步提高。其次，該流量計對外界振動(dòng)干擾較為敏感，為防止管道振動(dòng)影響，大部分型號的科里奧利流量傳感器安裝固定要求較高。壓力損失較大，價(jià)格也比較昂貴。

    渦輪流量計是葉輪式流量（流速）計的主要品種。其特點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大（同樣口徑可通過(guò)的流量大）和可適應高參數（高溫、高壓和低溫）等。

    綜合考慮以上三個(gè)種類(lèi)的流量計，我們采用渦輪式流量計來(lái)做超小型流量計。

    渦輪流量傳感器的內部結構如圖3所示。

圖3 傳感器內部結構圖

    它包括安裝在殼體內的緊固件、前導向件、止推片、葉輪、磁電感應式信號檢出器、軸承、后導向件和信號處理電路。前、后導向件由緊固件裝在殼體內管道中，方向與管道方向相同。裝有葉輪的軸承兩端分別設在前、后導向件內，在軸承的兩端還分別設有止推片。磁電感應式信號檢出器為變磁阻式，包括永久磁鋼、鐵芯、線(xiàn)圈，該磁電感應式信號檢出器設在葉輪上方。

    這種裝置的原理是：當被測液體流過(guò)傳感器時(shí)，在流體的作用下，葉輪受力發(fā)生旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，永久磁鋼對葉片有吸引力，產(chǎn)生磁阻力矩，葉輪的轉動(dòng)周期的改變也改變了磁電轉換器的磁阻值（相當于是一個(gè)化簡(jiǎn)的直流發(fā)電機結構），檢測線(xiàn)圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應電勢，即電脈沖信號，經(jīng)過(guò)放大器放大后，送至微處理器，微處理器將信號進(jìn)行數據處理后，送顯示、送PC機等。

    2.3 信號處理單元的設計

    在流量計的設計中，對流量傳感器的信號要進(jìn)行一定的處理以滿(mǎn)足系統的需要。其主要信號處理原理為：渦輪流量傳感器工作時(shí)使得傳感器上方的磁感應線(xiàn)圈內的磁通量發(fā)生變化，磁通量的變化經(jīng)過(guò)磁電轉換器（如圖3所示） 變成電壓的變化，通過(guò)運算放大器組成的前置放大電路，將電壓信號放大到6V左右后傳輸到流量計主機。流量計主機將收到的信號經(jīng)過(guò)比例積分電路進(jìn)行放大濾波，再經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行整形，然后將信號通過(guò)光電隔離器，以增加電路的抗干擾能力，隔離后的信號直接送至單片機系統。

    流量傳感器的信號處理單元原理框圖如圖4所示。

圖4 信號處理單元

    2.4 單片機系統設計

    單片機系統完成的任務(wù)較多，而且實(shí)時(shí)性要求高，這給單片機系統的設計帶來(lái)一定的困難。單片機系統首先要采集流量傳感器送來(lái)的信號，而且必須是實(shí)時(shí)的，否則就會(huì )使得信號丟失，導致采集信號不準確； 其次單片機要對LCD進(jìn)行顯示控制，因為L(cháng)CD是點(diǎn)陣顯示的，刷新一次需要的時(shí)間較長(cháng)；最后，就是要將處理好的數據送至PC機系統了，一方面采用中斷的方式接收PC機送來(lái)的數據，另外，采用查詢(xún)的方式將相對應的數據送至PC機。如果用一個(gè)單片機實(shí)現以上所有的功能，時(shí)間上會(huì )來(lái)不及，所以采用了兩個(gè)單片機，使得系統能夠比較平穩的運行。其中單片機A主要負責采集信號，單片機B主要負責數據處理、送LCD顯示、通訊等功能。

    單片機A開(kāi)放了兩個(gè)中斷，一個(gè)是外部中斷，一個(gè)是定時(shí)中斷。外部中斷負責采集經(jīng)過(guò)處理的渦輪流量傳感器的信號；定時(shí)中斷每隔1s鐘對EEP-ROM寫(xiě)一次數據，并在寫(xiě)完數據后通知單片機B對EEPROM內的數據進(jìn)行讀取。單片機A的主程序流程如圖5所示。

圖5 單片機A的主程序流程圖

    單片機B上電后，首先對安裝在傳感器探頭內的EEPROM進(jìn)行讀數據，該數據是流量積算系數。當得到單片機A的可以讀EEPROM的信號后，讀出EEPROM指定單元的數據，然后將兩次讀得的數據進(jìn)行處理，處理后的數據一方面送至LCD進(jìn)行顯示；另一方面通過(guò)中斷的方式，通過(guò)RS485接口將數據送至PC機。另外，單片機B負責掃描鍵盤(pán)，鍵盤(pán)有五個(gè)按鍵，分別是“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“確定”，它們主要用于參數的設定。單片機B的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 單片機B的程序流程圖

    2.5 LCD顯示單元的設計

    本流量計采用192×64的LCD點(diǎn)陣式顯示屏。該點(diǎn)陣顯示屏中，主要芯片為HD61203和HD61202。HD61203 是行驅動(dòng)器，它能驅動(dòng)64行；HD61202是列驅動(dòng)器，每一個(gè)列驅動(dòng)器能驅動(dòng)64列，3個(gè)HD61202剛好能驅動(dòng)192列。DB0－DB7是單片機系統送數據給LCD顯示單元的接口部分；RS端置高電平時(shí)，表示DB0－DB7發(fā)送的是數據，置低電平時(shí)，表示DB0－DB7發(fā)送的是命令；R/W置高電平表示對LCD單元進(jìn)行讀操作，置低電平表示對LCD單元進(jìn)行寫(xiě)操作； E端是使能端，當置E端的電平由高電平跳變置低電平轉換時(shí)，就可以對LCD顯示單元進(jìn)行操作，否則，單片機系統不能多LCD單元進(jìn)行任何操作；RST是復位端，低電平有效；CAS/CSB是兩個(gè)選通組合信號，當CSA/CSB=00選通IC1，CSA/CSB=01選通IC2，CSA/CSB=10選通IC3。該顯示屏的原理框圖如圖7所示。

圖7 LCD顯示單元原理圖

    3 單片機系統與PC機的通訊

    3.1 單片機系統與PC機的通訊過(guò)程

    單片機系統與PC機通訊時(shí)，PC機作為主機，整個(gè)系統在運行過(guò)程中，單片機通過(guò)中斷接收數據，并對數據進(jìn)行分析、判斷，最后做出相應的回應。

    3.2 單片機系統與PC機的通訊協(xié)議

    為了能夠讓單片機系統與PC機比較準確的通訊，制定了以下通訊協(xié)議：

    1）PC機查詢(xún)流量計的聯(lián)機情況

    PC機發(fā)送*A……（A的補碼，兩個(gè)字節）#，其中*是起始位，#是停止位，表示查詢(xún)流量計是否聯(lián)機；當單片機收到該代碼后，回復*B……#，表示該機連于單片機后。如果PC機發(fā)送兩遍后仍收不到數據或收到的數據不正確，表示該端口流量計沒(méi)有聯(lián)機。

    2）PC機要求單片機系統發(fā)送累積流量和瞬時(shí)流量

    PC機發(fā)送*C……（C的補碼，兩個(gè)字節）#，各代碼在查詢(xún)時(shí)所代表的含義相同；當單片機收到相同該代碼后，回復*C（累積流量和瞬時(shí)流量的數據） （C、累積流量、瞬時(shí)流量和的補碼） #。

    4 其他設計

    4.1 抗干擾設計

    當渦輪流量計的下游閥門(mén)截止的時(shí)候，由于外界水壓的不斷變化，會(huì )導致渦輪流量計的葉輪不停的轉動(dòng)，也就是不進(jìn)水的時(shí)候，傳感器仍工作。為了克服外界水壓的干擾，我們初步設想，在傳感器的上游安裝一個(gè)單向閥，在下游閥門(mén)截止的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉，切斷外界水壓對傳感器的影響；另一方面，如果下游閥門(mén)導通時(shí)，該器件也能自動(dòng)打開(kāi)，使得能夠順利進(jìn)水。另外，通過(guò)屏蔽、光電隔離等方法克服現場(chǎng)環(huán)境對信號的干擾。

    4.2 探頭自動(dòng)校準

    不同的渦輪流量傳感器由于制造工藝的差異，導致相同型號的渦輪流量傳感器具有不同的校正系數，按照以前的方法更換一個(gè)渦輪流量傳感器就要重新標定參數，使得使用很不方便，降低了傳感器的通用性。當渦輪流量傳感器探頭內安裝了帶有校準系數的芯片，換了傳感器渦輪流量傳感器就不必重新校正系數，這大大提高了探頭的通用性，也使得用戶(hù)使用更加方便。

    5 結論

    該多功能智能化超小流量計測量范圍為：0.03～0.16m³/h，工作壓力為6.3MPa。該流量計采用了較新的技術(shù)，具有性能好、價(jià)格低、操作簡(jiǎn)單、顯示簡(jiǎn)潔明了等特點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。