渦街流量計(jì)的二次儀表設(shè)計(jì)

摘要：流量測(cè)量在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活的各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。渦街流量計(jì)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(jì)的設(shè)計(jì)思路，給出硬件組成和軟件框圖。

關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì)；單片機(jī)；累積流量；瞬時(shí)流量

1 引言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，在很多情況下需要集中監(jiān)測(cè)多個(gè)流量點(diǎn)，如在石油注水開(kāi)采過(guò)程中，為了保持開(kāi)采效果、保護(hù)地下環(huán)境及隨后分析注水?dāng)?shù)據(jù)，需要對(duì)注水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在油田系統(tǒng)中逐漸使用智能儀表來(lái)計(jì)量油井的出油量。計(jì)量?jī)x表度的高低直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)的流量計(jì)起步晚，起點(diǎn)低，還比較落后。使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的流量計(jì)作為二次儀表是非常適用的，對(duì)油田自動(dòng)化有很大的促進(jìn)。

2 系統(tǒng)原理

　　就整體結(jié)構(gòu)而言，流量計(jì)主要由渦街流量傳感器、前置放大器、計(jì)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(cè)器和殼體構(gòu)成，其作用是產(chǎn)生穩(wěn)定和強(qiáng)烈的漩渦，并檢出產(chǎn)生漩渦的頻率和輸出與漩渦頻率成正比的電信號(hào)。漩渦發(fā)生體是渦街流量計(jì)的重要元件，為了產(chǎn)生強(qiáng)烈和穩(wěn)定的渦街，并在較寬的管道雷諾數(shù)范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)和尺寸比例，這要通過(guò)實(shí)踐來(lái)確定。

　　就一般情況來(lái)說(shuō)，由于檢測(cè)元件輸出的信號(hào)比較微弱且含有噪聲，所以各種檢測(cè)方式的前置放大器還應(yīng)包括放大、濾波、整形等部分，合起來(lái)也稱為一次儀表。

　　計(jì)數(shù)顯示單元也稱為流量計(jì)的二次儀表，一般由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成流量顯示儀表，它對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的記錄、存儲(chǔ)、計(jì)算和設(shè)置等功能。另外，還要控制液晶顯示器以顯示其測(cè)得的瞬時(shí)流量和總流量等信息。有的流量計(jì)為了與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還帶有通信接口，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

　　用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的儀表具有多種功能。由軟件調(diào)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(cè)量?jī)x表相配套的二次儀表，具有如下特點(diǎn)：

　　●采用微處理技術(shù)，可靠性高；

　　●采用微功耗器件，耗電少，適合電池供電；

●可同時(shí)顯示累積流量和瞬時(shí)流量；

　　●采用智能多段流量軟件補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量精度高；

　　●可以存儲(chǔ)流量。

　　它的技術(shù)性能如下所述。

　　輸入信號(hào)是一次儀表的頻率輸入信號(hào)，與流量傳感器相接，經(jīng)檢測(cè)、放大后得到被測(cè)介質(zhì)的流量，信號(hào)頻率為0MHz~1 000Hz的脈沖信號(hào)。傳感器連接電纜的長(zhǎng)度小于1 000m，導(dǎo)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(jì)量間里，每個(gè)計(jì)量間可容納30臺(tái)顯示儀。

　　輸出信號(hào)有2種：累積流量顯示是8位浮點(diǎn)式，開(kāi)始顯示小數(shù)點(diǎn)后5位（0.000 00m3），zui后顯示小數(shù)點(diǎn)后3位（0 000．000m3），表示儀表開(kāi)始工作后的累計(jì)流量；瞬時(shí)流量顯示是4位浮點(diǎn)式，開(kāi)始顯示小數(shù)點(diǎn)后2位（00．00m3），zui后顯示小數(shù)點(diǎn)后1位（000．Om3），表示當(dāng)前的瞬時(shí)流量。

　　抗干擾：lOkW～17kW電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示不變化。

　　準(zhǔn)確度：無(wú)修正時(shí)為3％左右，修正后為±0．01％。

　　流量修正范圍：在全流程范圍內(nèi)8段進(jìn)行補(bǔ)償修正。

　　設(shè)置累積流量的補(bǔ)償系數(shù)位：zui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(duì)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(chǎn)的AT89C51/LV51型單片機(jī)，它是低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)有1個(gè)4K字節(jié)的Flash可編程和可擦除只讀存儲(chǔ)器，采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，其輸出引腳和指令系統(tǒng)與MSC-5l型單片機(jī)兼容。

　　存儲(chǔ)流量用的存儲(chǔ)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(chǔ)器。單片機(jī)的。RXD口和TXD口分別與它的SCI．和SDA相連，進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

測(cè)量時(shí)，用1個(gè)1s的硬件復(fù)位電路接到。RE-SET端，使單片機(jī)定時(shí)復(fù)位。單片機(jī)以省電模式工作，每次輸入、累計(jì)、顯示處理后等待喚醒，工作功耗非常小。設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，復(fù)位腳正常連接。

　　輸入脈沖通過(guò)分頻和74HC393鎖存后，送入單片機(jī)的P2口。在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)程序處理后，輸出顯示信號(hào)送到P1口（數(shù)據(jù)4位，選擇信號(hào)4位）。數(shù)據(jù)中有4位送入MC14543（BCD鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)動(dòng)器）中，共有12個(gè)MC14543，分別控制與累計(jì)流量8位及瞬時(shí)流量4位相連的液晶塊的顯示數(shù)據(jù)，4位選擇信號(hào)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(dòng)顯示的小數(shù)點(diǎn)位。

　　硬件分為二部分：控制部分對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行處理，得到累積流量和瞬時(shí)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(guò)10針的插座J1相連。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　主程序框圖如圖3所示。

5 使用效果與改進(jìn)

　　本智能流量顯示儀用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量已有5年多時(shí)間，運(yùn)行可靠，測(cè)量準(zhǔn)確，性價(jià)比非常高，易于功能擴(kuò)展?，F(xiàn)已加入流量報(bào)警和控制流量大小等功能。當(dāng)流量超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，能發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；當(dāng)設(shè)定流量控制參數(shù)后，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量大小。該儀表也可以結(jié)合工業(yè)組態(tài)軟件MCGS或組態(tài)王，作為下位機(jī)收集流量數(shù)據(jù)，送給組態(tài)服務(wù)器進(jìn)行處理。