精密溫度補(bǔ)償流量計的設(shè)計與應(yīng)用

   隨著我國甲醇、甲醛生產(chǎn)技術(shù)不斷提高和科學(xué)的發(fā)展，流量儀表的研究越來越受到自動控制界的廣泛重視，尤其是精密溫度補(bǔ)償功能的儀表受到各儀表商的關(guān)注。精密溫度補(bǔ)償流量計研發(fā)包括機(jī)械制造、微型計算機(jī)、檢測電路硬化、軟件、性能標(biāo)定等多方面的知識，我們僅在微型計算機(jī)、檢測電路硬化、軟件、性能標(biāo)定技術(shù)方面進(jìn)行了研究，設(shè)計出精密溫度補(bǔ)償流量計。

    1. 精密溫度補(bǔ)償流量計的設(shè)計思想

    1.1 要想實現(xiàn)液體流體的溫度補(bǔ)償型所面臨的基本問題

    實現(xiàn)液體流體的溫度補(bǔ)償型一方面要求介質(zhì)溫度傳感器傳輸給微型單片機(jī)的數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確可靠，另一方面要求微型單片機(jī)數(shù)據(jù)處理速度要快，在完成流量數(shù)據(jù)計算的同時，還要及時對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對流量數(shù)據(jù)精密補(bǔ)償。

    1.1.1 介質(zhì)溫度的獲得

    為了保證介質(zhì)溫度準(zhǔn)確可靠的傳輸給微型單片機(jī)，我們選用國內(nèi)外較成熟的鉑熱電阻Pt100作為介質(zhì)溫度傳感器，生產(chǎn)商選用日本國“CRZ”系列產(chǎn)品。使溫度的線性、準(zhǔn)確度、可靠性得到了保證。

    1.1.2 提高數(shù)據(jù)處理速度

    由于流量傳感器送來信號頻率較高，所以要求微型單片機(jī)數(shù)據(jù)處理速度要快，為了使流量信號和溫度數(shù)據(jù)得到及時處理，選用了2片微型單片機(jī)（雙CPU），同時提高晶振頻率。

    1.2 實現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計，保證電路為低功耗，使儀表正常工作時間為3到8年（核心部件*時間）。

    1.2.1 流量傳感器的選用

    目前國內(nèi)外儀表市場上，渦輪液體流量儀表仍然占主流，隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷提高，渦輪液體流量儀表機(jī)械使用壽命越來越長，而且計量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)。所以選用了較成熟液體渦輪為流量傳感器。

    1.2.2 低功耗設(shè)計

    電路元器件全部采用表貼（SMD），微型單片機(jī)選用美國Microchip公司生產(chǎn)品，整個電路工作狀態(tài)由燒寫在微型單片機(jī)的軟件控制，當(dāng)無流量信號時軟件會自動識別，并且進(jìn)入休眠低功耗狀態(tài)。選用大容量鋰電池，保證了儀表長期穩(wěn)定工作，電池電壓低于廠家設(shè)定值時，儀表顯示屏?xí)?ldquo;電池!” 以2Hz頻率的速度閃爍，儀表還可以正常工作一個月以上。

    2. 精密溫度補(bǔ)償流量計的硬件設(shè)計

    2.1 機(jī)電一體化設(shè)計。

    由表體、電子表頭、流量傳感器、溫度傳感器組成，如圖1所示。表體為全不銹鋼制造，以適應(yīng)各種流體介質(zhì)的需要。表頭為鋁合金，使電路抗*力強(qiáng)。防爆等級為ExdⅡBT4，ExiⅡBT4。溫度傳感器為不銹鋼外套。

    2.2 精密溫度補(bǔ)償流量計電路的設(shè)計與工作原理。

    電路由流量前置放大器、溫度前置放大器、傳感器激勵電源、微型單片機(jī)1、微型單片機(jī)2、輕觸鍵盤、流量輸出1（單位為4-20mA）電路、流量輸出2（單位為升）、液晶顯示器等組成。液晶顯示器如圖2所示。微型單片機(jī)1將溫度補(bǔ)償后的流量數(shù)據(jù)送到微型單片機(jī)2，經(jīng)微型單片機(jī)2將數(shù)據(jù)處理后，一路送往D/A并轉(zhuǎn)換成4-20MA后輸出，另一路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以升（KG）輸出。

    3. 精密溫度補(bǔ)償流量計的軟件設(shè)計

    采用模塊化，分為初始化、主程序、中斷子程序、鍵盤服子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)輸出子程序。主程序流程圖見圖3。用戶可以根據(jù)需要通過鍵盤修改軟件中的各種參數(shù)，如介質(zhì)溫度系數(shù)、流量系數(shù)、流體密度等。

    4. 計量性能標(biāo)定

    4.1 頻響測試。

    使用香港“龍威”牌信號發(fā)生器和美國“TeKtronix”示波器檢測精密溫度補(bǔ)償流量計的頻響性能為5~3000Hz（M段）范圍內(nèi)時，輸出電壓幅度≧3.1Vp-p*可以滿足各種流量傳感器的要求。頻響曲線圖見圖4。

    4.2 計量性能檢定。

    使用直徑15mm流量傳感器， 流量系數(shù)392.4I/L，用100升容器在不同瞬時值連續(xù)測量10次，得出度等級±0.2%，線性度±0.18%，重復(fù)性±0.03%。

    4.3 溫度檢定。

    使用上海電工儀器廠0.02級“標(biāo)準(zhǔn)直流電阻箱”，輸入不同溫度范圍（-40℃~90℃），液晶屏顯示精度±0.3%。

    5. 結(jié)束語

    本精密溫度補(bǔ)償流量計采用了2片微型單片機(jī)（雙CPU），使流量、溫度數(shù)據(jù)處理速度要快，保證了溫度補(bǔ)償流量計計量精度，選用了較成熟液體渦輪流量傳感器，實現(xiàn)了機(jī)電一體化，安裝極為方便，容易檢修。因智能化設(shè)計，一切復(fù)雜事情都由微型單片機(jī)（雙CPU）來完成，所以操作簡單，抗*力強(qiáng)。電路、軟件為低功耗設(shè)計，所以可靠性高，使用壽命長。RS-232通訊接口可與上位機(jī)通訊，脈沖輸出功能可與智能定值控制儀配套組成精密灌裝系統(tǒng)，4-20mA 輸出功能可連接各種流量計算儀，實現(xiàn)遠(yuǎn)傳指示。

    從該精密溫度補(bǔ)償流量計的技術(shù)性能和運行情況看，利用該精密溫度補(bǔ)償流量計，可以較好的實現(xiàn)對各種流體的精密溫度補(bǔ)償，而且精度高、線性度好。有效減少由于溫度引起液體化工產(chǎn)品的計量誤差所造成的經(jīng)濟(jì)損失。是計量液體的流量計之一。該產(chǎn)品可廣泛適用于冶金、化工、石油、城建、環(huán)保、食品等領(lǐng)域，可靠測量水、自來水、污水、柴油、汽油和低粘度原油等液體的體積流量。尤其在甲醇、甲醛的流量計量中，具有國內(nèi)外技術(shù)水平。