新型科里奧利質(zhì)量流量計量表的軟件設(shè)計

發(fā)布：2019-02-22 | 點擊：人次

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本文詳細闡述了測量流體流速、密度、流量的一種新型科里奧利質(zhì)量流量計軟件部分的設(shè)計與實現(xiàn)。并對關(guān)鍵技術(shù)（密度、流量公式）及難點（浮點數(shù)至ECD碼的轉(zhuǎn)換）做了具體說明。

前言

科里奧利質(zhì)量流量計，是一種利用流體渡過振動的管道時所受到的得里奧利力與流體質(zhì)量成正比的原理制成的直接式高精度自動化儀表。它廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)領(lǐng)域中，如油品、化工、醫(yī)藥，食品等介質(zhì)的測量，得里奧利質(zhì)量流量計和其它計量產(chǎn)品相比有三個優(yōu)點：（a）不需要壓力的修正；（b）集測量流量、溫度、密度于一體；（c）內(nèi)部無可動部件，所以即使介質(zhì)的潤滑性能差，讀數(shù)也不受影響。為了提高科里奧利質(zhì)量流量計的測量精度，我們利用PLD器件開發(fā)了新一代U形雙管式科式質(zhì)量流量計，對由檢測管所獲得的兩路信號以及溫度信號采用計數(shù)方法進行處理。這種方法實現(xiàn)的系統(tǒng)與同類產(chǎn)品相比具有體積小、功耗低、功能強、精度高、適應(yīng)性強等特點，本文主要介紹了這種新型科氏質(zhì)量流量計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟硬件的實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)和難點。

典型的CMF的傳感器的主要部分是流量管，驅(qū)動線圈探測器和測量溫度的熱敏電阻。其中流量管有U型，直管型等形狀。我們采用了U型雙管式。流量管以固有頻率振動，當(dāng)流體通過固有頻率振動的傳感器時，就產(chǎn)生了科氏力。位于流量管的進流側(cè)和出流側(cè)的兩個檢測器，可檢測出兩路頻率相同，但有相位差的振動信號。其相位差同瞬時流量成正比。當(dāng)流量增大時，兩個檢測器的信號時間差（等效于相位差）就增大。振動信號周期與流體密度密切相關(guān)，流體密度愈大，振動周期愈大。因此通過對這兩路信號的相位差及周期進行處理，可以得到流體的流速及密度。整個利用PLD技術(shù)的科理奧利質(zhì)量流量計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原始的相位差、周期、溫度等信號需要經(jīng)過數(shù)字化后才可進行進一步處理。由檢測管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號通過模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號，連同溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號送至數(shù)據(jù)采集單元。在這里，它們被數(shù)字化采樣，而后進行幀編碼再存儲于FIFO中。

單片機負責(zé)對數(shù)據(jù)進行處理，而PLD模塊負責(zé)整個系統(tǒng)的同步和各種控制信號的產(chǎn)生。系統(tǒng)測量流量的同時，通過測量振動管的固有頻率，計算出管道內(nèi)流動介質(zhì)的密度，并顯示。系統(tǒng)采用字符點陣LCD顯示器，用于顯示瞬時流量、介質(zhì)密度、時間、介質(zhì)溫度等參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)意外掉電時，利用看門狗及時通知單片機，迅速保存系統(tǒng)參數(shù)至EEPROM中，以便于下次啟動時原來所測歷史數(shù)據(jù)能夠被充分利用。系統(tǒng)可以與主機進行串行異步通信，隨時將數(shù)據(jù)傳輸給PC主機。

軟件設(shè)計部分

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、子程序（含中斷服務(wù)程序）組成。

其中，系統(tǒng)初始化完成關(guān)中斷，設(shè)置串行通信波特率，液晶顯示屏清零，并顯示必要的提示用戶的字符（如LIULIANG，US等）。針對用戶的需求，功能按鍵往往不止一個，這樣，需擴展中斷源，在按鍵中服務(wù)程序中，首先判斷具體是哪個按鍵引起的中斷，然后進入相應(yīng)的服務(wù)程序。在FIFO中斷服務(wù)程序中，首先將FIFO中的幀數(shù)據(jù)取出，然后存儲于相應(yīng)的RAM地址單元。當(dāng)程序從FIFO中斷服務(wù)程序中返回后，對幀解碼后的數(shù)據(jù)進行處理，主要包括按照密度公式和流速公式，由相位、周期、溫度數(shù)據(jù)求出流體的密度，和在一定時間段流體的質(zhì)量。與主機串行通信部分，其中的通信波特率，奇偶校驗通過Kermite協(xié)議完成。傳送給PC主機的數(shù)據(jù)有：系統(tǒng)時間、瞬時流量、密度、溫度等參數(shù)。在PC主機中，可以利用其強大的硬件功能和良好的人機界面，進行數(shù)據(jù)計算處理，并可以存入數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)查詢和報表打印，系統(tǒng)可以接收主機發(fā)來的溫度校正參數(shù)和其它指令。

子程序主要完成輔助的功能，有LCD顯示子程序、二進制到BCD碼、BCD到二進制轉(zhuǎn)換子程序、整數(shù)平均值計算、浮點數(shù)計算、無符號數(shù)平均值計算等。

關(guān)鍵技術(shù)

科氏質(zhì)量流量計的關(guān)鍵技術(shù)是：

①科氏質(zhì)量流量計的質(zhì)量流量測量和密度參數(shù)都與流量管的振動有關(guān)，所以流量管的任何特性變化，例如因流體溫度或環(huán)境溫度變化而改變流量管材料的楊氏模量和產(chǎn)生零飄，都將影響測量精度。當(dāng)流體溫度發(fā)生變化時，進流側(cè)和出流側(cè)的探測器輸出的信號頻率也發(fā)生變化。如果溫度升高，將使流量管的振動頻率降低。把裝在流量管上的熱敏電阻測量的溫度輸入到單片機中，來修正溫度變化所造成的影響。

具體來說，流量管的振動頻率，與管子形狀、材料、端面約束情況有關(guān)，同時還與管內(nèi)介質(zhì)的密度有關(guān)。早期國外的有關(guān)廠家采用zui小二乘法進行線性擬合得到密度P與振動周期T的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

②另外，在數(shù)據(jù)顯示部分運算中，由于系統(tǒng)精度的要求，數(shù)據(jù)顯示要精確到小數(shù)點后三位，而浮點數(shù)式zui后的計算結(jié)果是無法直接顯示的，需要將它轉(zhuǎn)換成十進制小數(shù)數(shù)據(jù)。通過三個步驟將三字節(jié)浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼，首先將浮點數(shù)除去符號后的數(shù)值部分通過連續(xù)的乘10或除10操作（浮點數(shù)運算），將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換到0～65535之間，然后將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)無符號數(shù)，zui后將雙字節(jié)無符號數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)壓縮BCD碼存放在單片機連續(xù)的地址寄存單元中。乘10或除10的次數(shù)可以來確定小數(shù)點的位置。數(shù)據(jù)的正或負在轉(zhuǎn)換開始時可方便的通過檢測數(shù)符來確定，存放于位地址中。

結(jié)束語

本儀器具有實時測量流體流速、密度、流量的功能。在其數(shù)字部分中，使用了PLD器件，大大提高了系統(tǒng)的集成度，減小了系統(tǒng)硬件體積，降低了系統(tǒng)功耗，也便于儀器的調(diào)試以及以后功能的改進。由于集成度的提高，也大大增加了系統(tǒng)的可靠性。

不足之處是有一定局限性，不適宜測量小相位差，以及容易受噪聲的干擾。

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