摘要：設(shè)計以PIC單片機(jī)為核心的智能渦輪流量計，用于蒸汽流量的測量。結(jié)合氣體流量與密度的特點設(shè)計溫度壓力補(bǔ)償電路，并用串口液晶顯示模塊實時顯示所測的流量大小、溫度和壓力，同時可利用鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和修改。該方案節(jié)省了資源，提高了性價比，保證了系統(tǒng)的精度和實時性。

 

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和流通等領(lǐng)域，流量檢測是計量管理、貿(mào)易結(jié)算的可靠性依據(jù)，也是一門實用性很強(qiáng)的檢測技術(shù)；但流體的復(fù)雜性決定了流量檢測的問題也很多，氣體流量的溫度壓力補(bǔ)償問題就是其中之一。流量傳感器在測量同樣介質(zhì)的流體流量參數(shù)時都是工況流量，尤其是氣體，即便測量結(jié)果相同，由于受溫度和壓力的影響，在轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)流量時結(jié)果往往也是不一致的。這就產(chǎn)生了流量檢測中的溫度壓力補(bǔ)償問題。

 

　　在使用流量計測流量時，使用者如果不考慮溫度壓力補(bǔ)償?shù)脑挘玫降慕Y(jié)果往往會與正確結(jié)果大相徑庭，無法進(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，液體體積的變化也極??；但是氣體受壓力、溫度影響所引起的流體特性的變化很大，在流量檢測中，氣體流量溫度壓力補(bǔ)償?shù)囊饬x重大。

 

　　1、渦輪流量計工作原理：

 

　　渦輪流量計作為***通用的流量計具有高精度、重復(fù)性好等優(yōu)點，廣泛用于高壓、高溫、低溫及微流量的測量中。渦輪流量計是一種速度式流量計，它是由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。被測流體沖擊渦輪葉片，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)行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動、并沖擊渦輪葉片時，流經(jīng)渦輪變送器的流體體積流量

 

　　qv=f/k    (1)

 

　　式中：f為電信號的頻率，與葉輪轉(zhuǎn)動頻率成正比關(guān)系，k為儀表系數(shù)。

 

　　質(zhì)量流量

 

　　qm=ρqv=ρf/k    (2)

 

　　式中：ρ為流體密度。

 

　　2、硬件電路設(shè)計

 

　　2.1總體設(shè)計

 

　　該系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，包括流量信號采集模塊、溫度和壓力信號采集模塊、鍵盤以及顯示模塊5個部分。流量信號采集模塊使用渦輪流量計采集流量信號，經(jīng)過外圍電路處理后送入單片機(jī)，測量其頻率，用于流量計算；溫度和壓力采集模塊將采集到的溫度和壓力通過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，用于氣體的密度計算，對氣體流量進(jìn)行補(bǔ)償；鍵盤模塊實現(xiàn)對儀表參數(shù)的設(shè)置、各顯示內(nèi)容之間的轉(zhuǎn)換操作；顯示模塊實現(xiàn)瞬時流量、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。

　　2.2、PIC單片機(jī)：

 

　　PIC單片機(jī)是美國MICROCHIP公司生產(chǎn)的市場份額增長***快的單片機(jī)。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，精簡指令，運(yùn)行速度快，價格低廉，低功耗，內(nèi)部具有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，***大有8k×14字節(jié)的FLASH程序存儲器，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)計中具有較大的優(yōu)勢。

 

　　2.3、流量檢測電路：

 

　　渦輪脈沖信號經(jīng)濾波整形放大后，再經(jīng)過光電隔離電路后進(jìn)入PIC16F877單片機(jī)進(jìn)行脈沖頻率測量，從而測量出流量的大小。

 

　　2.4、溫度壓力檢測電路：

 

　　采用ICSensors公司生產(chǎn)的壓力傳感器154n對氣體壓力進(jìn)行檢測。該傳感器屬于壓阻式半導(dǎo)體壓力傳感器，用精密電阻構(gòu)成電橋后接電壓跟隨器送至RA0口。

 

　　將Pt100檢測到的溫度信號經(jīng)A、B兩個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。

 

　　此時有U7E=100U1A-200U1B，電位器Rv3用來調(diào)零，當(dāng)其阻值調(diào)至和Pt100阻值相同時，此時U7E為零，未調(diào)整時即為常溫值。其原理如圖2所示。

 

　　為了提高系統(tǒng)的測量精度，壓力檢測和溫度檢測均采用LM334恒流源向其提供恒定的電流，同時添加一個電阻和一個二極管以獲得零點漂移操作。

　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計：

 

　　3.1、總體設(shè)計：

 

　　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)置計數(shù)方式等。主程序主要通過查詢標(biāo)志位SET_RUN和OPERATE來判斷程序是運(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)生的中斷請求；當(dāng)單片機(jī)查詢到標(biāo)志位SET_RUN被置位時，就進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，對儀表系數(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、流量的計算和數(shù)據(jù)的儲存。中斷程序用于查詢定時時間，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，瞬時流量和累積流量的計算。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。

　　3.2流量溫度壓力信號采集

 

　　流量信號的采集主要通過計數(shù)器TMR0中斷服務(wù)程序完成，采用定時器模式，定時時間設(shè)為1s。定時時間到，比較寄存器里面的內(nèi)容，大于1s則對計數(shù)器TMR1讀數(shù)，以獲得流量信號的頻率，并清零；小于1s，則加1后結(jié)束。

 

　　溫度和壓力信號的采集是通過PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部的ADC模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，采樣完成后計算出溫度和壓力值，并將這兩個數(shù)值在液晶屏上顯示出來。

 

　　3.3鍵盤顯示

 

　　設(shè)置3個鍵盤，利用電平變化中斷功能來實現(xiàn)，采用延時去抖法，按鍵有效就進(jìn)入按鍵處理程序。F表示功能鍵，用K1來表示，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K1+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***后一位回閃位。↑(K3)定義為增加鍵，對光標(biāo)所在位的數(shù)值進(jìn)行修改，每按一次，循環(huán)增加一個定義單位，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，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，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來顯示瞬時和累計流量，同時實時顯示溫度和壓力。

 

　　4、溫壓補(bǔ)償?shù)膶崿F(xiàn)

 

　　一般來說，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輸出的流量信號、測量介質(zhì)的溫度和壓力后，就可以進(jìn)行飽和蒸汽質(zhì)量流量的實時計算了。由公式(2)可知，頻率f已經(jīng)通過TMR1計數(shù)器測得，只要再得到密度ρ就可以計算飽和蒸汽的質(zhì)量流量了。飽和蒸汽的密度ρ和它的溫度壓力有關(guān)，其關(guān)系如表1所示?？梢钥吹?，密度ρ只是溫度或者壓力的函數(shù)，而不是它們兩個參數(shù)的函數(shù)，所以只要通過表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。

　　綜合因素考慮根據(jù)表1擬合了二階的溫度-密度曲線，完全能滿足計算精度的要求，并且編寫程序也不算復(fù)雜。其表達(dá)式為

 

　　ρ=0.000655T2-0.13105T+7.468

 

　　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)量流量計算。

 

　　5、結(jié)束語

 

　　基于PIC單片機(jī)的智能渦輪流量計設(shè)計，節(jié)省了資源，提高了系統(tǒng)性價比，同時又由于采用了合理的溫度壓力檢測方法和新的補(bǔ)償方式，可以盡可能地消除系統(tǒng)誤差，較為快速準(zhǔn)確地計算溫度壓力變化時流體的密度和流量值，保證了系統(tǒng)的精度和實時性，具有較好的應(yīng)用價值。