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(pán)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)算的可靠性依據(jù)，也是一門(mén)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***通用的流量計(jì)具有高精度、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

 

　　qv=f/k    (1)

 

　　式中：f為電信號(hào)的頻率，與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(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(pán)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(pán)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。

　　2.2、PIC單片機(jī)：

 

　　PIC單片機(jī)是美國(guó)MICROCHIP公司生產(chǎn)的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)***快的單片機(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，***大有8k×14字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器，工作電壓范圍寬，帶振蕩式看門(mén)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PIC16F877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：

 

　　采用ICSensors公司生產(chǎn)的壓力傳感器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，用精密電阻構(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=100U1A-200U1B，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LM334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(pán)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TMR0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1s。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TMR1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)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(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(pán)顯示

 

　　設(shè)置3個(gè)鍵盤(pán)，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K1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(duì)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(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)TMR1計(jì)數(shù)器測(cè)得，只要再得到密度ρ就可以計(jì)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。可以看到，密度ρ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)。

　　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(jì)算精度的要求，并且編寫(xiě)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(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，較為快速準(zhǔn)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。