新型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

摘要：本文詳細(xì)闡述了測(cè)量流體流速、密度、流量的一種新型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)（密度、流量公式）及難點(diǎn)（浮點(diǎn)數(shù)至ECD碼的轉(zhuǎn)換）做了具體說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：科里奧利 質(zhì)量流量計(jì) BCD碼

前言

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，是一種利用流體渡過(guò)振動(dòng)的管道時(shí)所受到的得里奧利力與流體質(zhì)量成正比的原理制成的直接式高精度自動(dòng)化儀表。它廣泛應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域中，如油品、化工、醫(yī)藥，食品等介質(zhì)的測(cè)量，得里奧利質(zhì)量流量計(jì)和其它計(jì)量產(chǎn)品相比有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（a）不需要壓力的修正；(b)集測(cè)量流量、溫度、密度于一體；(c)內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件，所以即使介質(zhì)的潤(rùn)滑性能差，讀數(shù)也不受影響。為了提高科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量精度，我們利用PLD器件開發(fā)了新一代U形雙管式科式質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)由檢測(cè)管所獲得的兩路信號(hào)以及溫度信號(hào)采用計(jì)數(shù)方法進(jìn)行處理。這種方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)與同類產(chǎn)品相比具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文主要介紹了這種新型科氏質(zhì)量流量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟硬件的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)框圖

典型的CMF的傳感器的主要部分是流量管，驅(qū)動(dòng)線圈探測(cè)器和測(cè)量溫度的熱敏電阻。其中流量管有U型，直管型等形狀。我們采用了U型雙管式。流量管以固有頻率振動(dòng)，當(dāng)流體通過(guò)固有頻率振動(dòng)的傳感器時(shí)，就產(chǎn)生了科氏力。位于流量管的進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的兩個(gè)檢測(cè)器，可檢測(cè)出兩路頻率相同，但有相位差的振動(dòng)信號(hào)。其相位差同瞬時(shí)流量成正比。當(dāng)流量增大時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)時(shí)間差（等效于相位差）就增大。振動(dòng)信號(hào)周期與流體密度密切相關(guān)，流體密度愈大，振動(dòng)周期愈大。因此通過(guò)對(duì)這兩路信號(hào)的相位差及周期進(jìn)行處理，可以得到流體的流速及密度。整個(gè)利用PLD技術(shù)的科理奧利質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原始的相位差、周期、溫度等信號(hào)需要經(jīng)過(guò)數(shù)字化后才可進(jìn)行進(jìn)一步處理。由檢測(cè)管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號(hào)通過(guò)模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號(hào)，連同溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集單元。在這里，它們被數(shù)字化采樣，而后進(jìn)行幀編碼再存儲(chǔ)于FIFO中。

單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而PLD模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的同步和各種控制信號(hào)的產(chǎn)生。系統(tǒng)測(cè)量流量的同時(shí)，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)管的固有頻率，計(jì)算出管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的密度，并顯示。系統(tǒng)采用字符點(diǎn)陣LCD顯示器，用于顯示瞬時(shí)流量、介質(zhì)密度、時(shí)間、介質(zhì)溫度等參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)意外掉電時(shí)，利用看門狗及時(shí)通知單片機(jī)，迅速保存系統(tǒng)參數(shù)至EEPROM中，以便于下次啟動(dòng)時(shí)原來(lái)所測(cè)歷史數(shù)據(jù)能夠被充分利用。系統(tǒng)可以與主機(jī)進(jìn)行串行異步通信，隨時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給PC主機(jī)。

軟件設(shè)計(jì)部分

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、子程序（含中斷服務(wù)程序）組成。這里僅給出軟件流程圖，如圖2所示。

其中，系統(tǒng)初始化完成關(guān)中斷，設(shè)置串行通信波特率，液晶顯示屏清零，并顯示必要的提示用戶的字符（如LIULIANG，US等）。針對(duì)用戶的需求，功能按鍵往往不止一個(gè)，這樣，需擴(kuò)展中斷源，在按鍵中服務(wù)程序中，首先判斷具體是哪個(gè)按鍵引起的中斷，然后進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)程序。在FIFO中斷服務(wù)程序中，首先將FIFO中的幀數(shù)據(jù)取出，然后存儲(chǔ)于相應(yīng)的RAM地址單元。當(dāng)程序從FIFO中斷服務(wù)程序中返回后，對(duì)幀解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括按照密度公式和流速公式，由相位、周期、溫度數(shù)據(jù)求出流體的密度，和在一定時(shí)間段流體的質(zhì)量。與主機(jī)串行通信部分，其中的通信波特率，奇偶校驗(yàn)通過(guò)Kermite協(xié)議完成。傳送給PC主機(jī)的數(shù)據(jù)有：系統(tǒng)時(shí)間、瞬時(shí)流量、密度、溫度等參數(shù)。在PC主機(jī)中，可以利用其強(qiáng)大的硬件功能和良好的人機(jī)界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，并可以存入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印，系統(tǒng)可以接收主機(jī)發(fā)來(lái)的溫度校正參數(shù)和其它指令。

子程序主要完成輔助的功能，有LCD顯示子程序、二進(jìn)制到BCD碼、BCD到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序、整數(shù)平均值計(jì)算、浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算、無(wú)符號(hào)數(shù)平均值計(jì)算等。

關(guān)鍵技術(shù)

科氏質(zhì)量流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是：

①科氏質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量流量測(cè)量和密度參數(shù)都與流量管的振動(dòng)有關(guān)，所以流量管的任何特性變化，例如因流體溫度或環(huán)境溫度變化而改變流量管材料的楊氏模量和產(chǎn)生零飄，都將影響測(cè)量精度。當(dāng)流體溫度發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的探測(cè)器輸出的信號(hào)頻率也發(fā)生變化。如果溫度升高，將使流量管的振動(dòng)頻率降低。把裝在流量管上的熱敏電阻測(cè)量的溫度輸入到單片機(jī)中，來(lái)修正溫度變化所造成的影響。

具體來(lái)說(shuō)，流量管的振動(dòng)頻率，與管子形狀、材料、端面約束情況有關(guān)，同時(shí)還與管內(nèi)介質(zhì)的密度有關(guān)。早期國(guó)外的有關(guān)廠家采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合得到密度P與振動(dòng)周期T的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

其中，p為流體密度，T為流量管的振動(dòng)周期，K0,K1,K2為標(biāo)定常數(shù)。

②另外，在數(shù)據(jù)顯示部分運(yùn)算中，由于系統(tǒng)精度的要求，數(shù)據(jù)顯示要精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，而浮點(diǎn)數(shù)式最后的計(jì)算結(jié)果是無(wú)法直接顯示的，需要將它轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)數(shù)據(jù)。通過(guò)三個(gè)步驟將三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼，首先將浮點(diǎn)數(shù)除去符號(hào)后的數(shù)值部分通過(guò)連續(xù)的乘10或除10操作（浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算），將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換到0～65535之間，然后將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)，最后將雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)壓縮BCD碼存放在單片機(jī)連續(xù)的地址寄存單元中。乘10或除10的次數(shù)可以來(lái)確定小數(shù)點(diǎn)的位置。數(shù)據(jù)的正或負(fù)在轉(zhuǎn)換開始時(shí)可方便的通過(guò)檢測(cè)數(shù)符來(lái)確定，存放于位地址中。

結(jié)束語(yǔ)

本儀器具有實(shí)時(shí)測(cè)量流體流速、密度、流量的功能。在其數(shù)字部分中，使用了PLD器件，大大提高了系統(tǒng)的集成度，減小了系統(tǒng)硬件體積，降低了系統(tǒng)功耗，也便于儀器的調(diào)試以及以后功能的改進(jìn)。由于集成度的提高，也大大增加了系統(tǒng)的可靠性。

不足之處是有一定局限性，不適宜測(cè)量小相位差，以及容易受噪聲的干擾。