在石油、化工等生產(chǎn)過(guò)程中, 對(duì)管道內(nèi)液體和氣體的流量進(jìn)行測(cè)量和控制是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要組成部分。 渦街流量計(jì)具有量程寬, 無(wú)可動(dòng)部件, 運(yùn)行可靠, 維護(hù)簡(jiǎn)單, 壓力損失小, 具有一定的計(jì)量精度等優(yōu)點(diǎn)。[1] 特別是在很寬的范圍內(nèi), 它的測(cè)量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無(wú)關(guān), 因而受到普遍歡迎。 本文介紹應(yīng)用 MCS -51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能渦街流量計(jì), 對(duì)渦街流量計(jì)固有的非線性進(jìn)行修正 , 并具有顯示、打印、檢測(cè)參數(shù)的種類(lèi)以及數(shù)據(jù)處理等功能 , 從而拓寬了渦街流量計(jì)的應(yīng)用范圍。
工作原理
 
渦街流量計(jì)是基于卡門(mén)渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)。即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線型的對(duì)稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體), 就會(huì)在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門(mén)渦街 , 其漩渦頻率正比于來(lái)流速度 :^[2]
 

 
d — 漩渦發(fā)生體寬度 u — 來(lái)流速度 S t — 斯特勞哈爾數(shù)
當(dāng)雷諾數(shù) Re <2 ×10⁴ 情況下 , S t 為變數(shù) :當(dāng) Re 在 2 ×10⁴ ～ 7 ×10⁶ 的范圍內(nèi) , S t值基本上保持不變 , 這段范圍為流量計(jì)的基本測(cè)量范圍。
   式(1)表明, 當(dāng) d 和St 為定值時(shí) , 漩渦產(chǎn)生的頻率 F 與流體的平均流速u(mài) 成正比 , 利用這一特性制成了渦街流量計(jì)。由于渦街傳感器所測(cè)的并不是平均流速, 而大約是漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速。^[3] 對(duì)于湍流狀態(tài) , 不同的雷諾數(shù)下, 流速分布規(guī)律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布 , 進(jìn)而說(shuō)明了渦街流量傳感器檢測(cè)到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是確定的。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測(cè)機(jī)理所決定的。在實(shí)際使用時(shí), 先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗(yàn)曲線 f(F)。

 式中 G(F)是同一口徑的各臺(tái)儀表相同的曲線形狀(僅是位移不同)。K 是平均儀表系數(shù)。在本文應(yīng)用MCS -51 單片機(jī)的智能渦街流量計(jì)中 , 通過(guò)將試驗(yàn)曲線形狀 G(F)事先固化于流量計(jì)的 EPROM 中,和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體工況通過(guò)鍵盤(pán)輸入 K 的值,實(shí)現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。
 硬件設(shè)計(jì)圖 1 是系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖 1  硬件原理框圖
  根據(jù)設(shè)計(jì)要求 , 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[ 4] 包括:(1)接受變送器送來(lái)的與流量成正比的脈沖, 并對(duì)其定時(shí)、計(jì)數(shù)的電路;(2)顯示器, 鍵盤(pán), 打印機(jī)接口電路;(3)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路;主要電路介紹如下:

圖 2  鍵盤(pán)/ 顯示器及打印機(jī)接口電路

(1)顯示器接口設(shè)計(jì)
 
設(shè)計(jì) 6 位 LED 顯示器作為儀表的顯示輸出。 8155 的 PB 口定義為輸出口, 其中低四位 PB0 ～ PB3 輸出顯示數(shù)據(jù)的 BCD 碼, 并經(jīng) 74LS249 BCD 譯碼器譯碼后送 LED 的段碼端, PB4 作為測(cè)量結(jié)果的小數(shù)點(diǎn)位經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后接 LED 的小數(shù)點(diǎn)發(fā)光段 ;PB5 作為極性控制位單獨(dú)控制一個(gè)發(fā)光二極管以顯示測(cè)量結(jié)果的正負(fù)。 8155 的 PC 口定義為輸出口 , PC0 ～ PC5 分別控制 6 位 LED 的位選通 , 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。

(2)鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)
  在圖 2 所示的鍵盤(pán)接口中, 由 6 個(gè)鍵組成鍵盤(pán)。 8031 用外部中斷 INT0 作為鍵盤(pán)狀態(tài)輸出。 在 6 個(gè)鍵中, 鍵。按下編程鍵后 , 進(jìn)入編程狀態(tài), 用戶輸入平均儀表系數(shù)。 選項(xiàng)鍵用來(lái)確定顯示那種流量表達(dá)方式(如體積流量 、質(zhì)量流量等), 鍵盤(pán)的列掃描信號(hào)來(lái)自于 PC 口輸出的 LED 位選通信號(hào):鍵盤(pán)的行輸入信號(hào)由鍵盤(pán)是否閉合得到。 沒(méi)鍵按下, 鍵狀態(tài)為開(kāi), INT0 位高電平, 中斷不被觸發(fā) ;若有鍵按下, 鍵狀態(tài)為閉 , INT0 由高點(diǎn)平變?yōu)榈碗娖? 中斷由信號(hào)下降沿觸發(fā) , 從而向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU 響應(yīng)中斷后讀取 PC 口的輸出狀態(tài), 判斷 PC0 ～ PC5 輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識(shí)別。

(3)打印機(jī)接口設(shè)計(jì)
 采用GP -16 通用智能微型打印機(jī), 自帶 8039 單片機(jī)。 它可以把 8031 送來(lái)的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來(lái) ;它與儀表的接口設(shè)計(jì)如圖 2 所示, 它的8 根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線 D0 ～ D7 直接與8155 的 PA0 ～ PA7 相連, 片選信號(hào) CS 與 8155 的片選信號(hào)公用單片機(jī)系統(tǒng)譯碼器輸出的端口地址 Y7 ,WR 和 RD 直接與 8031 的WR, RD 相連, 其硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。

2、外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展:
(1)程序存儲(chǔ)器 EPROM 的擴(kuò)展由于 8031 片內(nèi)沒(méi)有 EPROM , 故 8031 單片機(jī)需要外擴(kuò)一片 EPROM2764(8K 字節(jié))。 在P0 口送出的低 8 位地址時(shí) , 地址由信號(hào) ALE 的下降沿控制鎖存到鎖存器中 , 高 5 位由 P2 .0～ P2 .4 提供 , 鎖存器采用 74LS373 鎖存器, 控制端直接與 ALE 相連。 則程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN 控制EPROM2764 的輸出允許端OE 。
  其中兩個(gè)鍵定義為“加一鍵” 和“減一鍵” 。 另外4 個(gè)鍵分別為打印鍵 , 編程鍵 , 選項(xiàng)鍵以及復(fù)位

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
 MCS -51 單片機(jī)內(nèi) RAM 為 128 個(gè)字節(jié), 因其容量不能滿足設(shè)計(jì)要求 , 故本機(jī)擴(kuò)展 8K 字節(jié)靜態(tài)RAM6264 一片 。本機(jī)外擴(kuò)展的RAM 和EPROM 電路如圖3 所示:

軟件設(shè)計(jì)：
本機(jī)軟件采用模塊結(jié)構(gòu), 其 4 個(gè)主要部分分別如下。
1、主程序：
 主程序?yàn)楸緝x器的監(jiān)測(cè)程序。 在程序運(yùn)行中 , 必須首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化, 清各工作單元, 置計(jì)數(shù)器及標(biāo)志位初值 , 自檢指示燈 , 開(kāi)中斷, 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤(pán)和 LED 指示燈相配合 , 使儀器的各種功能清晰有序。
 鍵盤(pán)子程序包括 :掃描鍵盤(pán)子程序。 其功能是尋找是否有鍵按下 , 輸入鍵值程序;鍵值掃描程序 ; 表驅(qū)動(dòng)程序 ;通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據(jù)按鍵的位置一行行的掃描。表驅(qū)動(dòng)程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。 通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)中的字碼轉(zhuǎn)換成段碼送入顯示器中, 顯示各種字型。 幾乎所有程序中都要用到這一程序 , 因此稱之為通用顯示子程序 , 以便與顯示功能塊相區(qū)別。

2、中斷服務(wù)程序：
儀器的測(cè)量、轉(zhuǎn)換等程序均通過(guò)中斷方式同主程序相連, 單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器均作為閘門(mén)使用。因?yàn)榱髁款l率的測(cè)量很重要, 所以定時(shí)器 T0 被用來(lái)測(cè)評(píng), 并定為中斷。 測(cè)量測(cè)頻中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 4 所示。
3、功能塊程序：
 儀器通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令 , 可隨時(shí)得到用戶所需的結(jié)果, 這就要用到功能程序塊。 功能程序塊包括 : 顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的入口參數(shù) , 再經(jīng)過(guò)碼之轉(zhuǎn)換, 送至顯示緩沖區(qū)中。 打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時(shí)流量及累計(jì)流量。
4、使用計(jì)算子程序主要包括計(jì)算流量的程序：
 采用的是浮點(diǎn)制運(yùn)算子程序, 這些運(yùn)算子程序可直接調(diào)用。

廠家價(jià)格：

產(chǎn)品參數(shù)：

 

結(jié) 論：
 采用上述設(shè)計(jì)的智能化渦街流量計(jì) , 可讓用戶完成了對(duì)渦街流量計(jì)非線性修正, 拓寬了渦街流量計(jì)的應(yīng)用范圍。