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智能通用型金属管浮子流量计研究

2024-03-15 来源:华佗健康网
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麟 蔫 } EI ECTRONIC电子测量技术 MEASUREMENT TE CHN()I OGY 智能通用型金属管浮子流量计研究 孙宏军 王超张 涛 (天津大学自动化学院天津300072) 第220096卷第4年8月 期 摘要:本文设计了一种配置微处理器的通用型智能金属管浮子流量计,该流量计可灵活地计算、修正流量,并通过 参数配置,实现不同介质及工况条件下的流量测量,为石化、造纸、化工等行业同一管道传输不同种类或工况介质的流 量测量提供了解决方案。 关键词:金属管浮子流量计;电容角位移传感器;数字通讯 Study on the smart universal metal tube rotameter Sun Hong]un Wang Chao Zhang Tao (College of Electrical and Automation Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072) Abstract:In this paper a universal smart metal tube rotameter configured with the microcomputer is designedThe .smart rotameter can flexibly calculate and correct the flow rate by a microprocessor,and is suitable for different media and working condition using configuring parameter method,which presents a resolution of the flow measurement of different kinds and working condition media in one pipe in the field of petrifaction,paper making and chemical industry and so orL Keywords:metal tube rotameter flowmeter;capacitive angular position sensor;digital communication 0引 言 浮子流量计安装方便、坚固可靠、耐高温高压,广泛应 用于液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和自动控制系统, 法进行流量的精确计量。即便是改进型的机械式金属管 浮子流量计,用凸轮板和转角变送器进行修正,虽能提高 精度,但凸轮板的加工需要考虑不同测量介质及工况条 件,且机加工的复杂度很高,流量计量的精度仍受到加工 精度的限制。因此,设计了一种可以通过微处理器灵活配 置参数、适应不同测量介质和工况条件的通用型智能金属 管浮子流量计,其结构如图1所示。通过自行设计的角位 特别适合于精细化工、化肥、石化、乙烯、冶金、造纸等行业 的高温高压、易燃易爆、强腐蚀介质的测量过程。 ; . 、 移传感器将浮子位置的变化转换为反映角度变化的电信 号,利用程序预设的数字模型进行流量计算,克服了凸轮 式机械结构进行流量计算固有的弊端。 1 "机 垌 獬弓 1外磁钢2摆杆3电容角位移传感器4平衡块 1通用型智能金属浮子流量计设计 本文开发了一种人机界面友好,具有流量自动修正功 能,广泛适用于液体、气体及不同工况条件的通用型智能 金属管浮子流量计。 1.1配置参数设计 为提高计算精度,灵活进行参数配置以适应不同工况 条件.将配置参数分为内部和外部参数两类。 1.1.1内部参数配置 内部参数包括浮子密度、口径、测量介质种类、测量范 围以及本机仪表系数,由配置软件在出厂标定时设置。该 图1 金属管浮子流量计结构原理图 传统的机械式金属管浮子流量计,由于其局限性,无 基金项目:天津市重点自然科学基金资助项目(993801511) ・ 66 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

孙宏军等:智能通用型金属管浮子流量计 宠一一 软件运行于Windows平台,将浮子标定过程与内部参数配 置融合为一体,其工作过程如下: (1)设定编号、口径、标定点数、浮子密度和测量介质. 为方便使用,可选是否正反行程标定; (2)选择测量范围; 塑 塑 行流量计算并累计,将计算结果送液晶显示器显示,并通 过控制PWM输出,将当前瞬时流量以4 ̄20mA二线制方 式远传;键盘用于外部参数设置;数字通讯接口与计算机 连接进行内部参数设置。 1.2.1 电容角位移传感器设计 根据浮子行程和摆杆长度,可确定最大转角为3O。,因 此设计了如图3所示的电容敏感元件。其测量角位移范围 O~45。[引,为了减少电场边缘效应影响,实际使用中,电容 (3)开始实际标定,产生角位移传感器输出电压与标 定点流量的对应列表; (4)自动进行数据拟合,计算本机仪表系数,并将内部 参数写入浮子流量计。 计算机与智能金属管浮子流量计通讯采用异步串行 通讯方式,由于通用串行通讯协议较复杂,因此。自定义了 一种简化通讯协议,其帧格式为: 1帧首1方向标志1命令l数据I校验I帧尾I 其中,方向标志表示数据的传送方向。“>”为下行标 志(0x3E),表示数据由计算机发送到智能浮子流量计; “<”为上行标志(0x3C),表示数据由智能浮子流量计发送 到计算机。 根据功能的不同,设计8种通讯帧,其中下行帧5种, 分别为电压采集帧、写配嚣参数帧、读配置参数帧、写产品 标识帧和读产品标识帧;上行帧3种,分别为电压上传帧、 配置参数上传帧和产品标识上传帧。下行帧包括命令标 志,上行帧省略命令标志。 1.1.2外部参数设置 外部参数包括被测介质密度、显示精度、显示单位和 满量程流量。当测量介质为气体时,还需设置工况温度和 工况压力。外部参数可由用户在使用过程中通过3个按 键(功能键<F>、累加键<十>和移动键<一>)设置,因 此,当管道中的测量介质和工况条件发生变化时,用户通 过改变其参数即可保证测量的精度,且显示和输出与当前 的实际流量相对应。 通过内部参数与外部参数配合使用,实现了该仪表生 产过程与使用过程的通用性。 1.2硬件设计 硬件结构如图2所示,浮子的位置变化通过摆杆变为 角度变化后,由电容角位移传感器转换为电压信号,微处 理器通过内部集成的A/D转换器将该信号变为数字量进 黜 徽 处 理 器 图2硬件结构示意图 敏感元件控制在5~35。变化范围。 1转动轴2,3接地保护圈4接收极板 5转动极板6发射饭板 图3电容敏感元件结构图 电容测量电路基于充放电原理,该电路具有抗寄生电 容、杂散电容等分布电容特性_3 ]。图4为电容测量电路示 意图,V 为充电电压,开关K 、K:、K。、K 受时钟脉冲控 制。一个完整的测量过程包括充放电两个周期:K1与K2 导通,K3与K4关断为充电状态,将被测电容C 充电到 ;K1与K2关断。K3与K4导通为放电状态,被测电容中 的电荷由电荷检测器检出,输出正比于被测电容的电压信 Vo= (1) 0———————0 疗 K 图4电容测量电路示意图 1.2.2输出设备设计 输出设备包括显示输出和模拟传输出部分。 双排液晶作为显示输出设备.通过1 c总线接收微处 理器发送的命令和数据,同时显示瞬时流量和累计流量。 模拟远传模块通过PWM脉宽调制完成。微处理器根 据设置的满度流量和计算的瞬时流量,调制输出脉冲的占 空比,通过滤波电路转换为正比于瞬时流量的电压值,并 经过电压/电流转换接口电路,变成4 20mA电流信号实 ・ 67 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

第29卷 现远传。 1.3软件设计 电子测量技术 式中: 为相对误差;Xr为浮子流量计测量值;X 为标定点 流量值;X…为浮子流量计最大测量值。 表2 15ⅡIm浮子流量计整机标定结果 软件采用模块化设计,按功能分为4部分:输入、输 出、流量计算和数字通讯,各部分根据具体情况细分为多 个模块,完成相应功能,如图5所示。 图5软件功能结构图 AD转换器采集角位移传感器输出电压信号,采集时 间间隔为10ms,采集的电压值经数字滤波后,用于流量计 算;键盘处理模块采用中断方式,根据键值,实现表1所示 功能。 表1按键功能列表 在计算模块中,首先利用式(1)计算标定流量值,其 次,根据内部参数,确定测量介质种类,采用相应的流量修 正议程,计算出实际工况流量,最后对瞬时流量进行累计 计算,并存储于EEPROM。 2整机调试 采用准确度为0.07 的水流量标准装置对15mm口 径的浮子流量计整机进行标定,该浮子量程为0.04~ 0.4m。/h,标定结果如表2所示。 基本误差计算公式为: 一尘 ×100% (2) ・ 68 ・ 该浮子流量计最大基本误差为0.75 ,满足1级浮子 流量计的要求。 3结论 本文研制的金属管浮子流量计具有较高的智能化水 平,通过自主设计的角位移传感器将浮子位置的变化转换 为反映角度变化的电信号,利用程序预设的数学模型进行 流量计算,提高了计算精度,而且,无需根据被测介质的密 度、工况条件和流量范围进行逐台设计制造,对于同一管 道传输多种介质的情况,用户可根据使用情况在线进行设 置,给生产厂商和使用者带来极大的方便。 参考文献 Eli苏彦勋.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社, 1992. [2]徐英,张涛,姜印平.金属管浮子流量计中电容式角位移 传感器的研究[J].电子测量与仪器学报,2002,16(3): 4O一46. [3]Huang S M Electronic transducer for industrial meas urement of low value capacitances[J].Journal of Physics E:Scientific Instruments,1988,21(3):242—250. [4]Huang S M.A high frequency stray-immune capacita nce transducer based on the charge transfer principle [J].IEEE Transactions on Instrumentation and measurement,1988。37(3):368—373. 

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