智能化渦街流量計測量系統

在石油、化工等生產(chǎn)過(guò)程中，對管道內液體和氣體的流量進(jìn)行測量和控制是實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要組成部分。渦街流量計具有量程寬，無(wú)可動(dòng)部件，運行可靠，維護簡(jiǎn)單，壓力損失小，具有一定的計量精度等優(yōu)點(diǎn)。^[1]特別是在很寬的范圍內，它的測量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數無(wú)關(guān)，因而受到普遍歡迎。本文介紹應用MCS一51單片機設計的智能渦街流量計，對渦街流量計固有的非線(xiàn)性進(jìn)行修正，并具有顯示、打印、檢測參數的種類(lèi)以及數據處理等功能，從而拓寬了渦街流量計的應用范圍。

工作原理

渦街流量計是基于卡門(mén)渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動(dòng)的流體中放置一個(gè)非流線(xiàn)型的對稱(chēng)形狀的物體（渦街流量傳感器中稱(chēng)之為漩渦發(fā)生體），就會(huì )在其下流兩側產(chǎn)生兩列有規律的漩渦即卡門(mén)渦街，其漩渦頻率正比于來(lái)流速度：^[2]
F＝S_tu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
式中 F—渦街頻率
d—漩渦發(fā)生體寬度
u—來(lái)流速度
S_t—斯特勞哈爾數
St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數Re有關(guān)。當雷諾數Re＜2×10⁴情況下，St為變數：當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內，St值基本上保持不變，這段范圍為流量計的基本測量范圍。
式（1）表明，當d和St為定值時(shí)，漩渦產(chǎn)生的頻率F與流體的平均流速u(mài)成正比，利用這一特性制成了渦街流量計。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速，而大約是漩渦發(fā)生體兩側的流速。^[3]對于湍流狀態(tài)，不同的雷諾數下，流速分布規律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，進(jìn)而說(shuō)明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發(fā)生體兩側的流速與管道平均流速的關(guān)系不是*確定的。這說(shuō)明渦街流量傳感器的非線(xiàn)性誤差是其檢測機理所決定的。在實(shí)際使用時(shí)，先繪出傳感器的儀表系數與頻率的試驗曲線(xiàn)f (F)。
K= f (F)=KG（F） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　?。?）
式中G（F）是同一口徑的各臺儀表相同的曲線(xiàn)形狀（僅是位移不同）。K是平均儀表系數。在本文應用MCS一51單片機的智能渦街流量計中，通過(guò)將試驗曲線(xiàn)形狀G（F）事先固化于流量計的EPROM中，和讓用戶(hù)結合現場(chǎng)具體工況通過(guò)鍵盤(pán)輸入K的值，實(shí)現渦街傳感器的非線(xiàn)性修正。

硬件設計

　　圖1是系統的硬件原理框圖。

圖1　硬件原理框圖

根據設計要求，單片機應用系統^[4]包括：（1）接受變送器送來(lái)的與流量成正比的脈沖，并對其定時(shí)、計數的電路；（2）顯示器，鍵盤(pán)，打印機接口電路；（3）外部存儲器的擴展電路；主要電路介紹如下：

1 鍵盤(pán)/顯示器及打印機接口^[5]

為使接口硬件盡可能少，設計時(shí)，僅用一片8155I/O接口芯片完成智能化儀表的鍵盤(pán)輸入，LED輸出和打印機輸出的接口任務(wù)。將8155的PC口用作顯示自選通和鍵盤(pán)掃描輸出，PB口用作顯示字段及小數點(diǎn)的輸出，8031外部中斷INTO用作鍵盤(pán)響應輸入，PA口用作外接打印機的輸出。如圖2所示。

圖2　鍵盤(pán)/顯示器及打印機接口電路

（1）顯示器接口設計

設計6位LED顯示器作為儀表的顯示輸出。8155的PB口定義為輸出口，其中低四位PB0～PB3輸出顯示數據的BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端，PB4作為測量結果的小數點(diǎn)位經(jīng)驅動(dòng)器后接LED的小數點(diǎn)發(fā)光段；PB5作為極性控制位單獨控制一個(gè)發(fā)光二極管以顯示測量結果的正負。8155的PC口定義為輸出口，PC0～PC5分別控制6位LED的位選通，實(shí)現動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。

（2）鍵盤(pán)接口設計

在圖2所示的鍵盤(pán)接口中，由6個(gè)鍵組成鍵盤(pán)。8031用外部中斷INTO作為鍵盤(pán)狀態(tài)輸出。在6個(gè)鍵中，其中兩個(gè)鍵定義為"加一鍵"和"減一鍵"。另外4個(gè)鍵分別為打印鍵，編程鍵，選項鍵以及復位鍵。按下編程鍵后，進(jìn)入編程狀態(tài)，用戶(hù)輸入平均儀表系數。選項鍵用來(lái)確定顯示那種流量表達方式（如體積流量、質(zhì)量流量等），鍵盤(pán)的列掃描信號來(lái)自于PC口輸出的LED位選通信號：鍵盤(pán)的行輸入信號由鍵盤(pán)是否閉合得到。沒(méi)鍵按下，鍵狀態(tài)為開(kāi)，INTO位高電平，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下，鍵狀態(tài)為閉，INTO由高點(diǎn)平變?yōu)榈碗娖?，中斷由信號下降沿觸發(fā)，從而向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后讀取PC口的輸出狀態(tài)，判斷PC0～PC5輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。

（3）打印機接口設計

采用GP一16通用智能微型打印機，自帶8039單片機。它可以把8031送來(lái)的數據以字符串、數據或圖形三種方式打印出來(lái)；它與儀表的接口設計如圖2所示，它的8根雙向三態(tài)數據線(xiàn)D0～D7直接與8155的PA0～PA7相連，片選信號CS與8155的片選信號公用單片機系統譯碼器輸出的端口地址Y7，WR和RD直接與8031的WR，RD相連，其硬件設計非常簡(jiǎn)單。

2 外部存儲器的擴展

（1）程序存儲器EPROM的擴展

由于8031片內沒(méi)有EPROM，故8031單片機需要外擴一片EPROM2764（8K字節）。在P0口送出的低8位地址時(shí)，地址由信號ALE的下降沿控制鎖存到鎖存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，鎖存器采用74LS373鎖存器，控制端直接與ALE相連。則程序存儲器讀選通信號PSEN控制EPROM2764的輸出允許端OE。

（2）數據存儲器的擴展

MCS一51單片機內RAM為128個(gè)字節，因其容量不能滿(mǎn)足設計要求，故本機擴展8K字節靜態(tài)RAM6264一片。本機外擴展的RAM和EPROM電路如圖3所示：

圖3 外部存儲器擴展

從圖中可以看出EPROM2764與RAM6264的地址范圍是相同的，但是它們的控制信號是不一樣的。2764的選通信號是PSEN，而6264的讀入或寫(xiě)入是靠RD或WR型號控制，所以不會(huì )產(chǎn)生數據沖突問(wèn)題。

軟件設計^[6]

本機軟件采用模塊結構，其4個(gè)主要部分分別如下。

1 主程序

主程序為本儀器的監測程序。在程序運行中，必須首先對系統進(jìn)行初始化，清各工作單元，置計數器及標志位初值，自檢指示燈，開(kāi)中斷，啟動(dòng)計數器等工作。儀器采用微型鍵盤(pán)和LED指示燈相配合，使儀器的各種功能清晰有序。
鍵盤(pán)子程序包括：掃描鍵盤(pán)子程序。其功能是尋找是否有鍵按下，輸入鍵值程序；鍵值掃描程序；表驅動(dòng)程序；通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據按鍵的位置一行行的掃描。表驅動(dòng)程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區中的字碼轉換成段碼送入顯示器中，顯示各種字型。幾乎所有程序中都要用到這一程序，因此稱(chēng)之為通用顯示子程序，以便與顯示功能塊相區別。

2 中斷服務(wù)程序

儀器的測量、轉換等程序均通過(guò)中斷方式同主程序相連，單片機內的兩個(gè)定時(shí)器計數器作為閘門(mén)使用。因為流量頻率的測量很重要，所以定時(shí)器TO被用來(lái)測評，并定為中斷。測量測頻中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

3 功能塊程序

儀器通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令，可隨時(shí)得到用戶(hù)所需的結果，這就要用到功能程序塊。功能程序塊包括：顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據用戶(hù)的需要轉入相應的入口參數，再經(jīng)過(guò)碼之轉換，送至顯示緩沖區中。打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時(shí)流量及累計流量。

4 使用計算子程序主要包括計算流量的程序

采用的是浮點(diǎn)制運算子程序，這些運算子程序可直接調用。

結　　論

采用上述設計的智能化渦街流量計，可讓用戶(hù)結合現場(chǎng)具體工況，通過(guò)鍵盤(pán)方便地輸入校正系數，完成了對渦街流量計非線(xiàn)性修正，拓寬了渦街流量計的應用范圍。

圖4 TO的中斷子程序框圖