流量計的開(kāi)發(fā)和應用

在工業(yè)生產(chǎn)和科研測量中，經(jīng)常遇到小流量、低雷諾數的流量測量。浮子流量計由于具有靈敏度高，測量范圍寬，壓力損失較小且恒定，測量介質(zhì)種類(lèi)多，工作可靠，維護簡(jiǎn)便，對儀表前直管段要求不高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用。
　　浮子流量計的浮子位移與流量之間存在明確對應的函數關(guān)系，測出浮子位移即可確定流量大小。金屬管浮子流量計(以下簡(jiǎn)稱(chēng)流量計)可以連續測量封閉管道內液體、氣體或蒸汽的流量，既能就地指示，又能遠傳信號，可實(shí)現流量測量值的遠距離顯示、記錄、計算、調節控制等功能，因此廣泛應用于石油、化工、能源、冶金、醫藥、輕工、國防等部門(mén)的流量檢測及過(guò)程控制。由于流量計的浮子位移不能直接讀出，所以將磁鋼封入浮子內，由設在轉換器內的磁藕合機構得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對應的浮子位移轉換成電信號，以實(shí)現遠傳輸出。目前常用的位移傳感器有兩種:差動(dòng)變壓器式傳感器和電容式角位移傳感器。但是使用這兩種位移傳感器要獲得與流量對應的位移信號，需要通過(guò)磁鋼藕合以及相應的四連桿、凸輪等機械機構進(jìn)行非線(xiàn)性修正和傳動(dòng)來(lái)實(shí)現，這就會(huì )造成轉換器傳動(dòng)環(huán)節多、結構復雜、存在摩擦力、回差增大，從而降低流量計的測量精度。因此無(wú)法實(shí)現流量計的轉換器全電子化、小型化以及在此基礎上的智能化。為此，推出采用霍爾傳感器檢測浮子位移、利用16位低功耗單片機作為核心處理器的智能流量計。
2系統構成原理
　　該流量計采用線(xiàn)性霍爾傳感器檢測浮子位移，配合單片機應用系統，完全去掉了磁鋼禍合、非線(xiàn)性修正及傳動(dòng)等機械機構。其工作原理如圖1所示。

　　當被測流體自下而上流過(guò)錐管時(shí)，浮子產(chǎn)生位移，通過(guò)線(xiàn)性霍爾傳感器的磁力線(xiàn)角度就會(huì )發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應電壓。該輸出電壓輸入到單片機應用系統進(jìn)行處理后，可輸出與流量對應的標準電流信號，也可通過(guò)標準通信接口進(jìn)行數據遠程交換。WWW.shhzy3.cn,www.shhdahua4.cn,www.shybdj6.net,www.shzy4.com,www.shyb9.com,www.soleader.cn
　　在流量計的轉換器中對應浮子位移范圍中間位置處放置兩個(gè)特性一致的霍爾傳感器，兩個(gè)霍爾傳感器的磁敏感面互成900?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲭妷簽?
E1=K1·I1·B1·-sin θ
　　　E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
　　　式中:
　　　K1、K2為霍爾靈敏度系數;
　　　I1、I2為霍爾元件的激勵電流;
　　　B1  、B2為霍爾傳感器所處位置的磁感應強度;
　　　θ為磁力線(xiàn)相對于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。
　　因為兩個(gè)霍爾傳感器選用特性一致的同一型號霍爾傳感器，采用同一激勵電流，處于同一高度位置，所以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因此可得:
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
　　　=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/  E2)
　　可見(jiàn)，由E,, E2可求出磁力線(xiàn)的傾斜角。
　　由圖1可見(jiàn)，隨著(zhù)浮子上升，通過(guò)霍爾傳感器的磁力線(xiàn)的角度順時(shí)針變化，因此求出傾斜角θ就可以得出浮子的位移。
3單片機應用系統硬件設計
　　單片機應用系統的原理框圖如圖2所示。系統控制器為一片MSP430F149單片機。M SP430F149的主要特性與功能如下:
(1)超低電流消耗:具有CPUOFF和OSCOFF模式，可在電壓降至1.8V情況下工作。
(2)基礎時(shí)鐘模塊:包括1個(gè)數控振蕩器(DCO)和2個(gè)晶體振蕩器。
(3)系統內置模塊:LCD驅動(dòng)器、A/D轉換器、1/O口、USART串口、看門(mén)狗、定時(shí)器、硬件乘法器、模擬比較器、EPROM等。
(4) 16位RISC結構，125as指令周期，等待方式進(jìn)行喚醒的時(shí)間為61xso
(5)軟件可在RAM中運行。程序可通過(guò)UART或測試引腳裝入RAM，并能在實(shí)時(shí)條件下運行?？山档驮囼灪驼{試的開(kāi)銷(xiāo)。
(6)僅3種指令格式，全部為正交結構，簡(jiǎn)化了程序的開(kāi)發(fā)。ROM讀取、RAM存取、數據處理、I/O及其他外圍操作都使用公共指令，無(wú)特殊指令。
(7)系統工作穩定。上電復位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時(shí)間。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統正常工作;如果程序跑飛，看門(mén)狗可將其復位。
(8)具有高級語(yǔ)言編程能力，已開(kāi)發(fā)了C一編譯器，支持JTAG仿真。

　　線(xiàn)性霍爾傳感器將浮子位移轉換成電壓信號，經(jīng)放大器放大后，由16位MCU進(jìn)行運算處理和非線(xiàn)性修正后求得流量值，一方面送LCD顯示器顯示，另一方面送入DAC轉換成模擬量，再經(jīng)輸出轉換電路轉換成標準電流信號輸出。另外，還可通過(guò)串行通信接口RS485與上位機進(jìn)行數據交換。
4軟件設計
　　軟件的主流程圖如圖3所示。單片機在上電和復位的時(shí)候，先要執行初始化程序。然后，依次判斷功能模塊的標志位，當標志位有效時(shí)，執行該功能模塊的程序，如標志位無(wú)效，則跳過(guò)向下執行。當程序執行到最后，再循環(huán)返回到初始化之后。