摘要:設(shè)計(jì)以PIC單片機(jī)為核心的智能渦輪流量計(jì)，用于蒸汽流量的測(cè)量。結(jié)合氣體流量與密度的特點(diǎn)設(shè)計(jì)溫度壓力補(bǔ)償電路，并用串口液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測(cè)的流量大小、溫度和壓力，同時(shí)可利用鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和修改。該方案節(jié)省了資源，提高了性價(jià)比，保證了系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性。
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和流通等領(lǐng)域，流量檢測(cè)是計(jì)量管理、貿(mào)易結(jié)算的第一可靠性依據(jù)，也是一門實(shí)用性很強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù);但流體的復(fù)雜性決定了流量檢測(cè)的問(wèn)題也很多，氣體流量的溫度壓力補(bǔ)償問(wèn)題就是其中之一。流量傳感器在測(cè)量同樣介質(zhì)的流體流量參數(shù)時(shí)都是工況流量，尤其是氣體,即便測(cè)量結(jié)果相同，由于受溫度和壓力的影響,在轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)流量時(shí)結(jié)果往往也是不一致的。這就產(chǎn)生了流量檢測(cè)中的溫度壓力補(bǔ)償問(wèn)題。
在使用流量計(jì)測(cè)流量時(shí)，使用者如果不考慮溫度壓力補(bǔ)償?shù)脑挘玫降慕Y(jié)果往往會(huì)與正確結(jié)果大相徑庭，無(wú)法進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算或工藝考核。液體體積幾乎不受壓力影響，僅和溫度有關(guān)，而且當(dāng)溫度變化范圍很小時(shí)，液體體積的變化也極小;但是氣體受壓力、溫度影響所引起的流體特性的變化很大，在流量檢測(cè)中，氣體流量溫度壓力補(bǔ)償?shù)囊饬x重大。
1渦輪流量計(jì)工作原理
渦輪流量計(jì)作為最通用的流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高壓、高溫、低溫及微流量的測(cè)量中。渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，它是由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。被測(cè)流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)即可求出瞬時(shí)流量和累積流量"。當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動(dòng)、并沖擊渦輪葉片時(shí)，流經(jīng)渦輪變送器的流體體積流量：
2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，包括流量信號(hào)采集模塊、溫度和壓力信號(hào)采集模塊、鍵盤以及顯示模塊5個(gè)部分。流量信號(hào)采集模塊使用渦輪流量計(jì)采集流量信號(hào)，經(jīng)過(guò)外圍電路處理后送入單片機(jī)，測(cè)量其頻率，用于流量計(jì)算;溫度和壓力采集模塊將采.集到的溫度和壓力通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，用.于氣體的密度計(jì)算，對(duì)氣體流量進(jìn)行補(bǔ)償;鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表參數(shù)的設(shè)置、各顯示內(nèi)容之間的轉(zhuǎn)換操作;顯示模塊實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量、累積流量、溫度和壓力的顯示。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.2PIC單片機(jī)
pIc單片機(jī)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)指令,運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉，低功耗，內(nèi)部具有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，最大有8kX14字節(jié)的HASH程序存儲(chǔ)器，工作電壓范圍寬，帶振蕩式看門狗，不需要任何外部器件。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有較大的優(yōu)勢(shì)。
2.3流量檢測(cè)電路
渦輪脈沖信號(hào)經(jīng)濾波整形放大后,再經(jīng)過(guò)光電隔離電路后進(jìn)入PC16F877單片機(jī)進(jìn)行脈沖頻率測(cè)量，從而測(cè)量出流量的大小。
2.4溫度壓力檢測(cè)電路
采壓力傳感器154n對(duì)氣體壓力進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器屬于壓阻式半導(dǎo)體壓力傳感器，用電阻構(gòu)成電橋后接電壓跟隨器送至RA0口。.將Pt100檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)A、B兩個(gè)電壓跟.隨器后分別送至減法電路和放大電路，再經(jīng)減法器E后進(jìn)入單片機(jī)的RA1口。
此時(shí)有U7E=100UiA-200IB，電位器Rv3用來(lái)調(diào)零，當(dāng)其阻值調(diào)至和Pt100阻值相同時(shí)，此時(shí)U7E為零，未調(diào)整時(shí)即為常溫值。其原理如圖2所示.
為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,壓力檢測(cè)和溫度檢測(cè)均采用IM334恒流源向其提供恒定的電流，同時(shí)添加一個(gè)電阻和一個(gè)二極管以獲得零點(diǎn)漂移操作。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括初始化程序、主程序、中斷控制程序、流量、溫度、壓力檢測(cè)程序以及鍵盤顯示程序等。初始化程序主要完成單片機(jī)初始化和設(shè)置計(jì)數(shù)方式等。主程序主要通過(guò)查詢標(biāo)志位SET_RUN和OPERATE來(lái)判斷程序是運(yùn)行狀態(tài)還是設(shè)置狀態(tài)，然后調(diào)用相應(yīng)的處理子程序。首先開(kāi)全局中斷，允許單片機(jī)響應(yīng)所有中斷源產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求;當(dāng)單片機(jī)查詢到標(biāo)志位SET_RUN被置位時(shí)，就進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行設(shè)定;進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后還要查詢標(biāo)志位OPERATE是否被置位，被置位后就進(jìn)行溫度與壓力的.A/D轉(zhuǎn)換、流量的計(jì)算和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。中斷程序用于查詢定時(shí)時(shí)間，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序完成流量采集、工作狀況“下溫度和壓力采集，瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)算。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。
3.2流量溫度壓力信號(hào)采集
流量信號(hào)的采集主要通過(guò)計(jì)數(shù)器MR0中斷服務(wù)程序完成，采用定時(shí)器模式，定時(shí)時(shí)間設(shè)為1so定時(shí)時(shí)間到，比較寄存器里面的內(nèi)容，大于1s則對(duì)計(jì)數(shù)器IMR1讀數(shù)，以獲得流量信號(hào)的頻率，并清零;小于1s,則加1后結(jié)束。
溫度和壓力信號(hào)的采集是通過(guò)PICI6F877單片機(jī)內(nèi)部的ADC模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采樣完成后計(jì)算出溫度和壓力值，并將這兩個(gè)數(shù)值在液晶屏上顯示出來(lái)。.
3.3鍵盤顯示
設(shè)置3個(gè)鍵盤，利用電平變化中斷功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用延時(shí)去抖法，按鍵有效就進(jìn)入按鍵處理程序。F表示功能鍵，用KI來(lái)表示，每按一-次表示在流量顯示和溫度、壓力顯示間切換，-表示移位鍵，用K2表示，↑為增加鍵，用K3表示。如果F+→(即Kl+K2)被按下，則設(shè)置標(biāo)志位置1,主程序查詢到其置1后，就進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。在該狀態(tài)下，→(K2)鍵定義為移位鍵，以閃爍表示光標(biāo)所在位，每.按一次，閃爍移到下一位，到最后一位回閃第一一位。↑(K3)定義為增加鍵，對(duì)光標(biāo)所在位的數(shù)值進(jìn)行修改，每按--次，循環(huán)增加一個(gè)定義單位，定義單位視參數(shù)類型而定。當(dāng)程序查詢到↑+→(K2+K3)被按下時(shí)，就把累積流量清零，并把標(biāo)志位置1,當(dāng)查詢到F(K1)鍵被按下時(shí)，每按-一次，在流量顯示和溫度、壓力顯示之間切換。
采用段式液晶顯示器LCM103來(lái)顯示瞬時(shí)和累計(jì)流量，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示溫度和壓力"。
4溫壓補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
一般來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)中大多要求得到氣體的質(zhì)量流量，由于氣體體積受溫度和壓力的影響太大,在溫度和壓力不斷變化的環(huán)境中得出的流量需要補(bǔ)償換算。
在得到了渦輪流量計(jì)輸出的流量信號(hào)、測(cè)量介質(zhì)的溫度和壓力后，就可以進(jìn)行飽和蒸汽質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)計(jì)算了。由公式(2)可知，頻率f已經(jīng)通過(guò)IMR1計(jì)數(shù)器測(cè)得，只要再得到密度Q就可以計(jì)算飽和蒸汽的質(zhì)量流量了。飽和蒸汽的密度Q和它的溫度壓力有關(guān)，其關(guān)系如表1所示。可以看到，密度Q只是溫度或者壓力的函數(shù)，而不是它們兩個(gè)參數(shù)的函數(shù),所以只要通過(guò)表1的數(shù)據(jù)擬合出一條溫度-密度(或者壓力.密度)的曲線，測(cè)出溫度(或者壓力)值就可以得到密度值。擬合溫度-密度曲線或者壓力-密度曲.線均可，但溫度和壓力都要顯示出來(lái)。
由溫度的A/D采樣值和密度值間的關(guān)系式，根.據(jù)公式(2)就可以進(jìn)行流量的質(zhì)量流量計(jì)算。
5結(jié)束語(yǔ)
基于PIC單片機(jī)的智能渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)，節(jié)省了資源，提高了系統(tǒng)性價(jià)比，同時(shí)又由于采用了合理的溫度壓力檢測(cè)方法和新的補(bǔ)償方式，可以盡可能地消除系統(tǒng)誤差，較為快速正確地計(jì)算溫度壓力變化時(shí)流體的密度和流量值，保證了系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。
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