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新型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:本文詳細(xì)闡述了測量流體流速、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)做了具體說明。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/255585.htm

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振動的管道時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化儀表。它廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)領(lǐng)域中,如油品、化工、醫(yī)藥,食品等介質(zhì)的測量,得里奧利質(zhì)量流量計(jì)和其它計(jì)量產(chǎn)品相比有三個優(yōu)點(diǎn):(a)不需要壓力的修正;(b)集測量流量、溫度、密度于一體;(c)內(nèi)部無可動部件,所以即使介質(zhì)的潤滑性能差,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),對由檢測管所獲得的兩路信號以及溫度信號采用計(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)動線圈探測器和測量溫度的熱敏電阻。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,當(dāng)流體通過固有頻率振動的傳感器時,就產(chǎn)生了科氏力。位于流量管的進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的兩個檢測器,可檢測出兩路頻率相同,但有相位差的振動信號。其相位差同瞬時流量成正比。當(dāng)流量增大時,兩個檢測器的信號時間差(等效于相位差)就增大。振動信號周期與流體密度密切相關(guān),流體密度愈大,振動周期愈大。因此通過對這兩路信號的相位差及周期進(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、溫度等信號需要經(jīng)過數(shù)字化后才可進(jìn)行進(jìn)一步處理。由檢測管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號通過模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號,連同溫度傳感器產(chǎn)生的溫度信號送至數(shù)據(jù)采集單元。在這里,它們被數(shù)字化采樣,而后進(jìn)行幀編碼再存儲于FIFO中。

單片機(jī)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,而PLD模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的同步和各種控制信號的產(chǎn)生。系統(tǒng)測量流量的同時,通過測量振動管的固有頻率,計(jì)算出管道內(nèi)流動介質(zhì)的密度,并顯示。系統(tǒng)采用字符點(diǎn)陣LCD顯示器,用于顯示瞬時流量、介質(zhì)密度、時間、介質(zhì)溫度等參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)意外掉電時,利用看門狗及時通知單片機(jī),迅速保存系統(tǒng)參數(shù)至EEPROM中,以便于下次啟動時原來所測歷史數(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)。針對用戶的需求,功能按鍵往往不止一個,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Kermite協(xié)議完成。傳送給PC主機(jī)的數(shù)據(jù)有:系統(tǒng)時間、瞬時流量、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,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、無符號數(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)量流量測量和密度參數(shù)都與流量管的振動有關(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,都將影響測量精度。當(dāng)流體溫度發(fā)生變化時,進(jìn)流側(cè)和出流側(cè)的探測器輸出的信號頻率也發(fā)生變化。如果溫度升高,將使流量管的振動頻率降低。把裝在流量管上的熱敏電阻測量的溫度輸入到單片機(jī)中,來修正溫度變化所造成的影響。

具體來說,流量管的振動頻率,與管子形狀、材料、端面約束情況有關(guān),同時還與管內(nèi)介質(zhì)的密度有關(guān)。早期國外的有關(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)。通過三個步驟將三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼,首先將浮點(diǎn)數(shù)除去符號后的數(shù)值部分通過連續(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)無符號數(shù),最后將雙字節(jié)無符號數(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)換開始時可方便的通過檢測數(shù)符來確定,存放于位地址中。

結(jié)束語

本儀器具有實(shí)時測量流體流速、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,不適宜測量小相位差,以及容易受噪聲的干擾。

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