智能LZ金屬管浮子流量計的開發(fā)

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(shù)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)種類多，工作可靠，維護(hù)簡便，對儀表前直管段要求不高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用。
　　浮子流量計的浮子位移與流量之間存在明確對應(yīng)的函數(shù)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(以下簡稱流量計)可以連續(xù)測量封閉管道內(nèi)液體、氣體或蒸汽的流量，既能就地指示，又能遠(yuǎn)傳信號，可實現(xiàn)流量測量值的遠(yuǎn)距離顯示、記錄、計算、調(diào)節(jié)控制等功能，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、冶金、醫(yī)藥、輕工、國防等部門的流量檢測及過程控制。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(nèi)，由設(shè)在轉(zhuǎn)換器內(nèi)的磁藕合機(jī)構(gòu)得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對應(yīng)的浮子位移轉(zhuǎn)換成電信號，以實現(xiàn)遠(yuǎn)傳輸出。目前常用的位移傳感器有兩種:差動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(yīng)的位移信號，需要通過磁鋼藕合以及相應(yīng)的四連桿、凸輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性修正和傳動來實現(xiàn)，這就會造成轉(zhuǎn)換器傳動環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在摩擦力、回差增大，從而降低流量計的測量精度。因此無法實現(xiàn)流量計的轉(zhuǎn)換器全電子化、小型化以及在此基礎(chǔ)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(jī)作為核心處理器的智能流量計。
2系統(tǒng)構(gòu)成原理
　　該流量計采用線性霍爾傳感器檢測浮子位移，配合單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，完全去掉了磁鋼禍合、非線性修正及傳動等機(jī)械機(jī)構(gòu)。其工作原理如圖1所示。

　　當(dāng)被測流體自下而上流過錐管時，浮子產(chǎn)生位移，通過線性霍爾傳感器的磁力線角度就會發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應(yīng)電壓。該輸出電壓輸入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理后，可輸出與流量對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，也可通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交換。
　　在流量計的轉(zhuǎn)換器中對應(yīng)浮子位移范圍中間位置處放置兩個特性一致的霍爾傳感器，兩個霍爾傳感器的磁敏感面互成900。霍爾傳感器的輸出電壓為:
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(shù);
　　　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(yīng)強(qiáng)度;
　　　θ為磁力線相對于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。
　　因為兩個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，由E,, E2可求出磁力線的傾斜角。
　　由圖1可見，隨著浮子上升，通過霍爾傳感器的磁力線的角度順時針變化，因此求出傾斜角θ就可以得出浮子的位移。
3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)控制器為一片MSP430F149單片機(jī)。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(chǔ)時鐘模塊:包括1個數(shù)控振蕩器(DCO)和2個晶體振蕩器。
(3)系統(tǒng)內(nèi)置模塊:LCD驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器、1/O口、USART串口、看門狗、定時器、硬件乘法器、模擬比較器、EPROM等。
(4) 16位RISC結(jié)構(gòu)，125as指令周期，等待方式進(jìn)行喚醒的時間為61xso
(5)軟件可在RAM中運行。程序可通過UART或測試引腳裝入RAM，并能在實時條件下運行?？山档驮囼灪驼{(diào)試的開銷。
(6)僅3種指令格式，全部為正交結(jié)構(gòu)，簡化了程序的開發(fā)。ROM讀取、RAM存取、數(shù)據(jù)處理、I/O及其他外圍操作都使用公共指令，無特殊指令。
(7)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，看門狗可將其復(fù)位。
(8)具有高級語言編程能力，已開發(fā)了C一編譯器，支持JTAG仿真。

　　線性霍爾傳感器將浮子位移轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。另外，還可通過串行通信接口RS485與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4軟件設(shè)計
　　軟件的主流程圖如圖3所示。單片機(jī)在上電和復(fù)位的時候，先要執(zhí)行初始化程序。然后，依次判斷功能模塊的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有效時，執(zhí)行該功能模塊的程序，如標(biāo)志位無效，則跳過向下執(zhí)行。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，再循環(huán)返回到初始化之后。

　　標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊和RS485串行通信模塊標(biāo)志位是由掃描撥碼開關(guān)部分所決定的;數(shù)據(jù)存儲部分通過不斷地讀取時鐘芯片DS1307來判斷是否到了預(yù)先設(shè)定的存儲時間，到存儲時間后進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲子程序。RS485通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，人們不必直接到現(xiàn)場去查看各種儀表的參數(shù)值，通過觀看通訊界面即可獲得當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。
5結(jié)束語
　　由于采用霍爾傳感器進(jìn)行位移檢測，使流量計的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動的機(jī)械零件，實現(xiàn)了全電子化和小型化，大大降低了回差;采用16位單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運算，可使流量計的流量指示精確度由2.0級提高到1.0級。
　　由以上分析可見，由于采用霍爾傳感器和16位單片機(jī)，使流量計實現(xiàn)了小型化、數(shù)字化和智能化，提高了流量計的精確度，增加了流量計的功能，并使得開發(fā)現(xiàn)場總線型的流量計成為可能。