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    帶溫度壓力補償氣體渦輪流量計設計
    發布時間:2022-3-1 08:20:10

    摘要:設計以PIC單片機為核心的智能渦輪流量計,用于蒸汽流量的測量。結合氣體流量與密度的特點設計溫度壓力補償電路,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,同時可利用鍵盤進行參數的設定和修改。該方案節省了資源,提高了性價比,保證了系統的精度和實時性。
      在現代工業生產和流通等領域,流量檢測是計量管理、貿易結算的第一可靠性依據,也是一門實用性很強的檢測技術;但流體的復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償問題就是其中之一。流量傳感器在測量同樣介質的流體流量參數時都是工況流量,尤其是氣體,即便測量結果相同,由于受溫度和壓力的影響,在轉換成標準流量時結果往往也是不一致的。這就產生了流量檢測中的溫度壓力補償問題。
      在使用流量計測流量時,使用者如果不考慮溫度壓力補償的話,得到的結果往往會與正確結果大相徑庭,無法進行貿易結算或工藝考核。液體體積幾乎不受壓力影響,僅和溫度有關,而且當溫度變化范圍很小時,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,在流量檢測中,氣體流量溫度壓力補償的意義重大。
    1渦輪流量計工作原理
      渦輪流量計作為最通用的流量計具有高精度、重復性好等優點,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,渦輪的轉速隨流量的變化而變化,即流量大,渦輪的轉速也大,再經磁電轉換裝置把渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖,經前置放大器放大后,送入顯示儀表進行計數和顯示,根據單位時間內的脈沖數和累計脈沖數即可求出瞬時流量和累積流量"。當流體沿著管道的軸線方向流動、并沖擊渦輪葉片時,流經渦輪變送器的流體體積流量:
     
    2硬件電路設計
    2.1總體設計
      該系統以PIC單片機為控制核心,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,經過外圍電路處理后送入單片機,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轉換后送入單片機,用.于氣體的密度計算,對氣體流量進行補償;鍵盤模塊實現對儀表參數的設置、各顯示內容之間的轉換操作;顯示模塊實現瞬時流量、累積流量、溫度和壓力的顯示。系統的總體結構圖如圖1所示。
     
    2.2PIC單片機
      pIc單片機采用哈佛總線結構,精簡指令,運行速度快,價格低廉,低功耗,內部具有8通道10位A/D轉換器,最大有8kX14字節的HASH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。在該系統設計中具有較大的優勢。
    2.3流量檢測電路
      渦輪脈沖信號經濾波整形放大后,再經過光電隔離電路后進入PC16F877單片機進行脈沖頻率測量,從而測量出流量的大小。
    2.4溫度壓力檢測電路
      采壓力傳感器154n對氣體壓力進行檢測。該傳感器屬于壓阻式半導體壓力傳感器,用精密電阻構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,再經減法器E后進入單片機的RA1口。
      此時有U7E=100UiA-200IB,電位器Rv3用來調零,當其阻值調至和Pt100阻值相同時,此時U7E為零,未調整時即為常溫值。其原理如圖2所示.
      為了提高系統的測量精度,壓力檢測和溫度檢測均采用IM334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.系統軟件設計
    3.1總體設計
      系統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初始化和設置計數方式等。主程序主要通過查詢標志位SET_RUN和OPERATE來判斷程序是運行狀態還是設置狀態,然后調用相應的處理子程序。首先開全局中斷,允許單片機響應所有中斷源產生的中斷請求;當單片機查詢到標志位SET_RUN被置位時,就進入設置狀態,對儀表系數進行設定;進入運行狀態后還要查詢標志位OPERATE是否被置位,被置位后就進行溫度與壓力的.A/D轉換、流量的計算和數據的儲存。中斷程序用于查詢定時時間,進入中斷服務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器MR0中斷服務程序完成,采用定時器模式,定時時間設為1so定時時間到,比較寄存器里面的內容,大于1s則對計數器IMR1讀數,以獲得流量信號的頻率,并清零;小于1s,則加1后結束。
      溫度和壓力信號的采集是通過PICI6F877單片機內部的ADC模塊將其轉換成數字量,采樣完成后計算出溫度和壓力值,并將這兩個數值在液晶屏上顯示出來。.
    3.3鍵盤顯示
      設置3個鍵盤,利用電平變化中斷功能來實現,采用延時去抖法,按鍵有效就進入按鍵處理程序。F表示功能鍵,用KI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Kl+K2)被按下,則設置標志位置1,主程序查詢到其置1后,就進入設置狀態。在該狀態下,→(K2)鍵定義為移位鍵,以閃爍表示光標所在位,每.按一次,閃爍移到下一位,到最后一位回閃第一一位!(K3)定義為增加鍵,對光標所在位的數值進行修改,每按--次,循環增加一個定義單位,定義單位視參數類型而定。當程序查詢到↑+→(K2+K3)被按下時,就把累積流量清零,并把標志位置1,當查詢到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溫壓補償的實現
      一般來說,在生產中大多要求得到氣體的質量流量,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境中得出的流量需要補償換算。
      在得到了渦輪流量計輸出的流量信號、測量介質的溫度和壓力后,就可以進行飽和蒸汽質量流量的實時計算了。由公式(2)可知,頻率f已經通過IMR1計數器測得,只要再得到密度Q就可以計算飽和蒸汽的質量流量了。飽和蒸汽的密度Q和它的溫度壓力有關,其關系如表1所示?梢钥吹,密度Q只是溫度或者壓力的函數,而不是它們兩個參數的函數,所以只要通過表1的數據擬合出一條溫度-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。
     
      由溫度的A/D采樣值和密度值間的關系式,根.據公式(2)就可以進行流量的質量流量計算。
    5結束語
      基于PIC單片機的智能渦輪流量計設計,節省了資源,提高了系統性價比,同時又由于采用了合理的溫度壓力檢測方法和新的補償方式,可以盡可能地消除系統誤差,較為快速準確地計算溫度壓力變化時流體的密度和流量值,保證了系統的精度和實時性,具有較好的應用價值。

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