流量计系列产品
 
 

涡街流量计智能化二次仪表

发布时间:2017-10-28
 

摘要:介绍了采用8032单片机组成的涡街流计二次仪表,并对仪表的测量方法、系统的硬件组成原理及软件结构进行了分析。
1、引言                
在电力、化工、冶金、纺织等工业生产过程中,流量的检测实现节能及系统控制的重要环节,也是经济核算的重要手段,随着科学技术的发展,流量的计量日益受到重视,流量仪表随之迅速发展。涡街流量计是根据流体力学中的“卡门涡街”原理,在70年代发展起来的一种作为二次仪表的新型流量测量仪表,通常它的输出量是频率信号。因其构造简单、可靠性高、宽量程比以及压力损失小等优点,在目前得到广泛应用。与作为一次检测仪表的通常流量计配合使用,以满足计量的需求。
2、涡街流量计智能化二次仪表功能特点            
众所周知,任何流体尤其是气体的密度与该流体的温度和压力密切相关,故流量计二次仪表进行质量流量的计量还需要实时检测介质的温度和压力,并应用相应的数学模型进行补偿运算。
采用8032单片机构成的涡街流量计智能化二次仪表,在进行系统设计时,考虑了各种介质的数学模型和完善的功能,使该仪表能够进行多种介质的补偿,并具有如下功能特点:
1)可显示被测介质的累计流量、瞬时流量、瞬时压力、瞬时温度、时间/日历等参数及一次仪表的频率,对瞬时流量、瞬时压力、瞬时温度的越限报警。
2)可进行参数的预置、在线修改,并可预置参数修改密码和清零密码。
3)具有数据的断电保护功能和不断电日历/时钟。
4)配有打印机接口和RS232接口。
5)补偿后的瞬时流量可以4~20mA·DC或0~10mA·DC信号输出。
3、测量原理和基本方程
流体的体积流量Qm与质量流量Qw之间的关系为:Qm=Qv·ρ,其中ρ是流体密度,通常它是温度和压力的函数,对于不同的流体,具有不同的函数关系。因此计算质量流量的关键是确定被测介质实际工况下的密度。
对于涡街流量计,它输出的信号频率与体积流量成正比,则有:

式中:Qv、Qm分别为流体的体积流量和质量流量,单位分别为m3/min(m3/h)和kg/min(ton/h);f为涡街流量计输出的频率(Hz);KF为流量计的仪表系数,表示流量计测量每单位体积(m3)流量的输出脉冲数;R为时间单位常数(3600或60);K为单位转换常数。
这是一个基本公式,对于不同的测量介质及不同的使用场合,由于各种流体密度的数学模型不同,其计算方法及处理方法也不完全一样。
1)一般气体的密度随压力和温度的变化近似地满足理想气体状态方程,即与其工作压力P成正比,与绝对温度T成反比,可表示为ρ=(1/R)·(P/T)
式中:R为理想气体常数,R=Po/ρoTo;
因此,只要知道气体在某一状态(Po,To)下的密度ρo,即可求出任一状态下的密度ρ,通常Po,To取标准大气压和标准温度,即:

2)过热蒸汽是非理想气体,其密度ρ与P,t之间关系符合1967年IFC国际公式,但IFC公式十分复杂,这里我们采用补偿范围较宽的简化公式计算ρ:

式中k=0.3~1.0可根据过热蒸汽的过热度来选取,过热度越大,k值越大。
3)饱和蒸汽也是一种非理想气体,但由于饱和蒸汽的温度与压力之间存在对应关系。因此,只需要温度或压力一种参数进行补偿,采用查饱和蒸汽密度表的方法比较方便,而且精度高。
4)液体一般不考虑压力变化对密度的影响,其密度与温度的关系为:
ρ=ρo[1+β(to-t)]  (5)
式中:ρo为温度to时的液体密度;β为体积膨胀系数。
对求得的质量流量进行数值积分可得到其累积流量。
4、仪表硬件组成
考虑到需要3个定时器/计数器资源,故以8032单片机为核心组成仪表硬件,其结构如图1所示.

1)输入信号检测:流量脉冲信号经整形和光电隔离后,输入8032单片机T0进行脉冲计数,单位时间T0的计数值即为流量计的输出频率;温度和压力信号检测考虑到与DDZⅡ和DDZⅢ型仪表的配合,由标度变换电路把0~5V或1~5V;0~10mA或4~20mA的温度、压力信号转换为0~2V电压,通过模拟多路开关送入MC14433进行模数转换,MC14433是3 1/2位双积分式A/D转换器,数字量采用BCD编码动态扫描方式输出,不能直接挂总线,而由总线收发器74LS245与8032数据总线相连。
2)键盘与显示器:采用8279构成键盘和显示接口电路。它通过硬件实现对键盘和显示器的自动扫描,这样可减轻CPU的负担,简化程序设计。显示器由12个LED数码管构成,完成各种参数的显示,键盘完成工作参数的设置、仪表状态和显示参数的选择。作为盘装式仪表,键的数量越少越好,键盘的设置除了根据仪表的工作状态实现一键多功能外,键盘与显示器还采用轮回菜单方式进行参数的设置和检测量的显示。
3)瞬时流量输出:补偿计算后的流量通过DAC0832和恒流源电路以4~20mA或0~10mA信号输出,以供模拟记录仪或上位机使用。
4)打印机接口由74LS273锁存器构成,该仪表有选件盘装式打印机与之配套,通过参数设定或键盘控制,可进行定时或随机打印测量结果。
5)RS232接口利用8032单片机提供的全双工异步通讯接口构成,为仪表提供规范的联网功能,当仪表有通讯要求时,以中断方式向上级系统发送ASCⅡ码数据。
6)实时日历/时钟与断电数据保护:流量的积算往往需要包含 时间的信息,并希望积算的结果及设定的工作参数不因断电而丢失。因此,具有不断电实时日历/时钟与断电数据保护功能显得十分重要。美国Dallas半导体公司生产的DS1216可非常圆满地解决这个问题,它是一个具有日历时钟功能、非易失存储器控制电路和嵌入式锂电池的CMOS集成器件,其上还带有一个28脚IC插座,可插入8K的CMOS静态RAM(如6264),并能为其RAM提供可靠的断电保护,而不需外加备用电池,与单片机的接口只相当于扩展一片8K的静态RAM。由于DS1216与RAM用相同地址空间,因此对日历时钟的读写操作以串行方式进行。
7)状态指示是通过发光二极管指示仪表的工作状态、显示参数的类型及超限报警等。组态开关用于确定测量介质的类型和温度、压力变送器信号的形式。
5、软件设计
系统的工作程序框图如图2所示。

采用MCS51汇编语言编写程序,主要包括主程序和中断服务程序, 主程序由初始化、显示、键处理、数据处理等模块组成,中断服务程序由:INT0键盘输入中断、INT1数据采集中断、串行口中断、T1定时中断。其中定时中断为系统提供各种时基,如流量脉冲的定时计数、积算周期的控制、数据的打印等。
6、结束语
该仪表是根据涡街流量计的要求研制的,但其硬件结构可完全用作其它各种流量计的二次仪表。与国内目前生产的仪表相比,具有结构先进,功能更加齐全的优点,实际使用表明:仪表工作稳定可靠,具有较强的抗干扰能力。