智能流量積算儀的研制

智能流量積算儀的研制

0智能流量積算儀流量計(jì)量直接影響到原材料的消耗和產(chǎn)量成本的計(jì)算，這是控制系統(tǒng)的重要組成部分，因此它受到的關(guān)注越來越重要。在企業(yè)生產(chǎn)管理中的經(jīng)濟(jì)核算、化工反應(yīng)過程中的物料平衡、燃燒過程中的燃料消耗,以及貿(mào)易、運(yùn)輸過程中的流體計(jì)量,都是以質(zhì)量為單位進(jìn)行核算的。人們關(guān)心的最終結(jié)果是被測(cè)介質(zhì)的質(zhì)量而不是體積。盡管近年來以科氏力流量計(jì)和熱式流量計(jì)為代表的直接式質(zhì)量流量計(jì)獲得了很大發(fā)展,遺憾的是由于具體工況的復(fù)雜性和多樣性,儀表價(jià)格等多種原因,在很多測(cè)量中尚不能使用這些儀表。大量使用的差壓式、速度式、容積式等流量?jī)x表都是測(cè)量體積流量的,為了得到質(zhì)量流量或折算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,需要使用溫度、壓力補(bǔ)償式測(cè)量方法。自從單片機(jī)誕生以來,以其為核心出現(xiàn)了很多種智能流量積算儀來進(jìn)行溫壓補(bǔ)償?shù)挠?jì)算工作并對(duì)流量進(jìn)行累加。積算儀的工作可靠性、補(bǔ)償計(jì)算精度、使用方便性等問題受到了廣泛的關(guān)注。近年來隨著人們對(duì)智能儀表工作過程的深入分析和集成電路技術(shù)的進(jìn)步,為積算儀性能的提高創(chuàng)造了更有利的條件。本文介紹一種作者研制成功的智能流量積算儀。它不僅具有很高的工作可靠性,而且由于配有手操器使其具有非常友好的人機(jī)界面,同時(shí)由于采用了先進(jìn)的計(jì)算方法和硬件配置,使其測(cè)量精度更高。1被測(cè)介質(zhì)密度的確定對(duì)于體積流量值,不同原理的流量傳感器有不同的流量計(jì)算公式,其主要分為兩類:脈沖信號(hào)輸出型傳感器和節(jié)流式流量傳感器。脈沖信號(hào)輸出型傳感器采用式(1)計(jì)算:qV=3600×F/K(1)qV=3600×F/Κ(1)式中:qV為工況下的體積流量,n3/h;f為信號(hào)頻率,Hz;K為儀表系數(shù),1/m3。節(jié)流式流量傳感器輸出模擬信號(hào),其流量計(jì)算依據(jù)《GB/T2624—93流量測(cè)量節(jié)流裝置,用孔板,噴嘴和文丘里管測(cè)充滿圓管的流體流量》中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于溫度、壓力補(bǔ)償法進(jìn)行質(zhì)量流量測(cè)量的計(jì)算,不同的被測(cè)介質(zhì)其計(jì)算公式是不同的,分別說明如下:一般氣體在壓力不很高時(shí)可以使用理想氣體狀態(tài)方程:qM=ρ20q20=ρ20qVPT20PnT(2)qΜ=ρ20q20=ρ20qVΡΤ20ΡnΤ(2)式中:qM為質(zhì)量流量,kg/m3;q20為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,m3/h;ρ20為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)密度,kg/m3;qV為工況下的體積流量,m3/h;P為工況下介質(zhì)的絕對(duì)壓力,MPa;Pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,0.10133MPa;T20為標(biāo)準(zhǔn)溫度,293.15K;T為工況下介質(zhì)的絕對(duì)溫度,K。液體的密度計(jì)算按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1884—83:ρ=(ρ20?0.0011)[1?μ(t?20)](3)ρ=(ρ20-0.0011)[1-μ(t-20)](3)式中:ρ為工作狀態(tài)下被測(cè)介質(zhì)密度;kg/m3;ρ20為20℃下的被測(cè)介質(zhì)密度,kg/m3;μ為膨脹系數(shù);t為攝氏溫度,℃。飽和蒸汽由其性質(zhì)決定了其密度是溫度或壓力的一元函數(shù):ρ=f(p)(4)ρ=f(t)(5)ρ=f(p)(4)ρ=f(t)(5)在實(shí)際測(cè)量中既有用壓力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?也有用溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹１緝x表兩種方法均可,由用戶選擇。式(4)和式(5)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2624—81中是以表格的形式給出的,本儀表以國(guó)標(biāo)為依據(jù)使用最小二乘法把式(4)和式(5)擬合成解析函數(shù)式,其精度優(yōu)于0.07%。過熱蒸汽情況比較復(fù)雜,其密度是溫度,壓力的二元函數(shù):ρ=f(p?t)(6)ρ=f(p?t)(6)式(6)在GB2624—81中也是以表格的形式給出的,它的解析函數(shù)式已有不少研究成果發(fā)表,本儀表采用了文獻(xiàn)所介紹的等溫曲線插值法,其擬合精度達(dá)到了0.08%。2儀表的可靠性保障儀表的硬件電路原理框圖如圖1所示。qi1為脈沖輸入型流量信號(hào)。qi2為模擬輸入型流量信號(hào)。ti,pi分別為溫度,壓力輸入信號(hào)?？紤]到本儀表輸入的幾種模擬信號(hào)的變化速度較慢,同時(shí)為了便于光電隔離,提高儀表的抗干擾能力,模擬信號(hào)經(jīng)A/F轉(zhuǎn)換器后變?yōu)槊}沖信號(hào),再經(jīng)光電隔離送入單片機(jī)。同理,電流輸出通道IO沒有采用D/A轉(zhuǎn)換,而是采用經(jīng)光電隔離后的F/I轉(zhuǎn)換,故本儀表所有與外部的聯(lián)系均經(jīng)過光電隔離,提高了儀表的可靠性。程序存儲(chǔ)器是一片27256EPROM,用來存儲(chǔ)單片機(jī)的運(yùn)行指令。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一片DS12887,它的功能強(qiáng),性能好,不僅可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù),還兼有日歷和時(shí)鐘的功能,特別是它具有內(nèi)嵌鋰電池,并有完善的數(shù)據(jù)保護(hù)電路。儀表組態(tài)時(shí)置入的各參數(shù)及累加的流量數(shù)值存入其中,可以得到很好的保護(hù)。因?yàn)樗谋Ｗo(hù)電路使電源電壓達(dá)到4.2V以上時(shí),才可以訪問這些數(shù)據(jù),所以當(dāng)電源不好或?yàn)槎虝旱臎_擊脈沖時(shí),不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。與早期使用充電電池完成的掉電保護(hù)RAM相比,其掉電保護(hù)性能得到極大提高,而且其保護(hù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年。μP監(jiān)控器內(nèi)含復(fù)位電路和監(jiān)控定時(shí)器,本儀表采用的是MAXIM公司出品的專用集成電路,文獻(xiàn)論述了優(yōu)良的復(fù)位電路的重要性。分析與實(shí)踐均可證明阻容式復(fù)位電路具有嚴(yán)重的缺陷,根本不適用于智能型工業(yè)儀表。監(jiān)控定時(shí)器俗稱看門狗,用于監(jiān)控單片機(jī)程序的正常運(yùn)行,一旦程序跑飛造成死機(jī),它將強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位,重新啟動(dòng)。應(yīng)用μP監(jiān)控器比過去用定時(shí)器和門電路所設(shè)計(jì)的看門狗電路性能要優(yōu)異很多,已成為現(xiàn)代智能儀表的必備電路之一。本儀表具有LED數(shù)碼管和LED光柱顯示器雙顯示,使其既具有數(shù)字儀表的精確性,又具有模擬儀表的直觀性。所謂操作鍵是儀表面板上唯一一個(gè)工作狀態(tài)下的按鍵,按動(dòng)它可使儀表循環(huán)顯示瞬時(shí)流量,累積流量等測(cè)量參數(shù)。組態(tài)參數(shù)由手操器進(jìn)行置入。3工作鍵和參數(shù)置數(shù)方式流量積算儀在投入使用之前要置入若干參數(shù),以使其適用于所配接的流量、溫度、壓力等傳感器或變送器,同時(shí)要設(shè)定測(cè)量介質(zhì)、輸入信號(hào)類型及量程、報(bào)警點(diǎn)等。如果把這些參數(shù)的置入鍵均放在儀表面板上,會(huì)使儀表外觀擁擠凌亂,因此許多儀表采用了一鍵多用的方式加以解決。但是,這樣會(huì)使鍵功能變得復(fù)雜,不易掌握;工作鍵和參數(shù)置入鍵安排在一起,誤操作的概率增加。考慮到置數(shù)功能在儀表投產(chǎn)前一般只用一次,被置入的參數(shù)設(shè)定后不需頻繁的更改,因此本儀表采用了附帶手操器的方法,插入手操器儀表自動(dòng)進(jìn)入置數(shù)狀態(tài),拔下手操器儀表恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在置數(shù)狀態(tài)下可設(shè)定被測(cè)介質(zhì)種類、流量、溫度、壓力傳感器特性參數(shù),報(bào)警點(diǎn)及日期,時(shí)間校正。此時(shí)手操器上共有14個(gè)按鍵供使用,每一個(gè)鍵均為單一功能,無需切換,使用非常方便。在工作狀態(tài)下按動(dòng)唯一的一個(gè)顯示選擇鍵,可使儀表分別顯示累積流量、瞬時(shí)流量等測(cè)量參數(shù)。采用手操器置數(shù)方式,徹底分離了工作與置數(shù)狀態(tài),不但簡(jiǎn)化操作,而且從硬件限制了操作權(quán)限。平時(shí)在工作狀態(tài)下無法改變儀表的參數(shù),也不能對(duì)累積流量清零,便于生產(chǎn)管理,具有本質(zhì)安全性。4移動(dòng)儀表模塊本流量?jī)x表的功能強(qiáng)大,其軟件充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)思想,具有較強(qiáng)的通用性,易讀性和可維護(hù)性,全部軟件充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想,采用模塊化設(shè)計(jì)方法,使程序具有很強(qiáng)的可移植性,可以方便地增減功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求稍加改動(dòng),就可以附著在其它硬件基礎(chǔ)上成為一種新型儀表。總體軟件的模塊化流程圖如圖2所示。各模塊采用標(biāo)志傳遞執(zhí)行方式,即該模塊允許執(zhí)行的標(biāo)志建立時(shí)執(zhí)行該模塊,否則跳過該模塊,其它輸出模塊不斷重復(fù)執(zhí)行。工作流程采用大循環(huán)形式,這樣的做法有兩個(gè)明顯特點(diǎn):第一,響應(yīng)快,實(shí)時(shí)性好。當(dāng)發(fā)生按工作鍵、手操器等外部操作時(shí),儀表可以立即處理,反映靈敏;第二,抗干擾能力強(qiáng),尤其針對(duì)干擾侵入輸出通道造成輸出有誤的情況。因?yàn)橹鞒绦虿粩嗟恼{(diào)用,執(zhí)行各輸出模塊,在各種輸出未發(fā)生變化時(shí),重復(fù)輸出同一內(nèi)容。5溫度和速度測(cè)量①?測(cè)量介質(zhì):氣體、飽和蒸汽、過熱蒸汽、液體②?整機(jī)精度:±0.3%③?數(shù)字顯示內(nèi)容:累積流量、瞬時(shí)流量、壓力、溫度、介質(zhì)密度、累積停電時(shí)間、日期、時(shí)間等④?模擬顯示:51線紅間綠LED光柱顯示瞬時(shí)流量⑤?頻率信號(hào)輸入:2～10000Hz,方波、正弦波⑥?模擬信號(hào)輸入:4～20mA,d.c.,0～10mA,d.c.,1～5V,d.c.,0～5V,d.c.⑦?模擬信號(hào)輸出:4～20mA,d.c.,0～10mA