0 引言

    浮子流量計安裝方便、堅固可靠、耐高溫高壓，廣泛應(yīng)用于液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)流量的測量和自動控制系統(tǒng)，特別適合于精細化工、化肥、石化、乙烯、冶金、造紙等行業(yè)的高溫高壓、易燃易爆、強腐蝕介質(zhì)的測量過程。

    傳統(tǒng)的機械式金屬管浮子流量計，由于其局限性，無法進行流量的精確計量。即便是改進型的機械式金屬管浮子流量計，用凸輪板和轉(zhuǎn)角變送器進行修正，雖能提高精度，但凸輪板的加工需要考慮不同測量介質(zhì)及工況條件，且機加工的復(fù)雜度很高，流量計量的精度仍受到加工精度的限制。因此，設(shè)計了一種可以通過微處理器靈活配置參數(shù)、適應(yīng)不同測量介質(zhì)和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過自行設(shè)計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號，利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)字模型進行流量計算，克服了凸輪式機械結(jié)構(gòu)進行流量計算固有的弊端。

    1 通用型智能金屬浮子流量計設(shè)計

    本文開發(fā)了一種人機界面友好，具有流量自動修正功能，廣泛適用于液體、氣體及不同工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計。

    1.1 配置參數(shù)設(shè)計

    為提高計算精度，靈活進行參數(shù)配置以適應(yīng)不同工況條件，將配置參數(shù)分為內(nèi)部和外部參數(shù)兩類。

    1.1.1 內(nèi)部參數(shù)配置

    內(nèi)部參數(shù)包括浮子密度、口徑、測量介質(zhì)種類、測量范圍以及本機儀表系數(shù)，由配置軟件在出廠標定時設(shè)置。該軟件運行于Windows平臺，將浮子標定過程與內(nèi)部參數(shù)配置融合為一體，其工作過程如下：

    （1）設(shè)定編號、口徑、標定點數(shù)、浮子密度和測量介質(zhì)，為方便使用，可選是否正反行程標定；
    （2）選擇測量范圍；
    （3）開始實際標定，產(chǎn)生角位移傳感器輸出電壓與標定點流量的對應(yīng)列表；
    （4）自動進行數(shù)據(jù)擬合，計算本機儀表系數(shù)，并將內(nèi)部參數(shù)寫入浮子流量計。

    計算機與智能金屬管浮子流量計通訊采用異步串行通訊方式，由于通用串行通訊協(xié)議較復(fù)雜，因此。自定義了一種簡化通訊協(xié)議，其幀格式為：

    其中，方向標志表示數(shù)據(jù)的傳送方向。“>”為下行標志（0x3E），表示數(shù)據(jù)由計算機發(fā)送到智能浮子流量計；“<”為上行標志（0x3C），表示數(shù)據(jù)由智能浮子流量計發(fā)送到計算機。

    根據(jù)功能的不同，設(shè)計8種通訊幀，其中下行幀5種，分別為電壓采集幀、寫配置參數(shù)幀、讀配置參數(shù)幀、寫產(chǎn)品標識幀和讀產(chǎn)品標識幀；上行幀3種，分別為電壓上傳幀、配置參數(shù)上傳幀和產(chǎn)品標識上傳幀。下行幀包括命令標志，上行幀省略命令標志。

    1.1.2 外部參數(shù)設(shè)置

    外部參數(shù)包括被測介質(zhì)密度、顯示精度、顯示單位和滿量程流量，當測量介質(zhì)為氣體時，還需設(shè)置工況溫度和工況壓力。外部參數(shù)可由用戶在使用過程中通過3個按鍵（功能鍵<F>、累加鍵<>和移動鍵<>）設(shè)置，因此，當管道中的測量介質(zhì)和工況條件發(fā)生變化時，用戶通過改變其參數(shù)即可保證測量的精度，且顯示和輸出與當前的實際流量相對應(yīng)。

    通過內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)配合使用，實現(xiàn)了該儀表生產(chǎn)過程與使用過程的通用性。

    1.2 硬件設(shè)計

    硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，浮子的位置變化通過擺桿變?yōu)榻嵌茸兓?，由電容角位移傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，微處理器通過內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將該信號變?yōu)閿?shù)字量進行流量計算并累計，將計算結(jié)果送液晶顯示器顯示，并通過控制PWM輸出，將當前瞬時流量以4~20mA二線制方式遠傳；鍵盤用于外部參數(shù)設(shè)置；數(shù)字通訊接口與計算機連接進行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。

    1.2.1 電容角位移傳感器設(shè)計

    根據(jù)浮子行程和擺桿長度，可確定最大轉(zhuǎn)角為3O゜，因此設(shè)計了如圖3所示的電容敏感元件，其測量角位移范圍O~45゜^[2]，為了減少電場邊緣效應(yīng)影響，實際使用中，電容敏感元件控制在5~35゜變化范圍。

    電容測量電路基于充放電原理，該電路具有抗寄生電容、雜散電容等分布電容特性[3-4]。圖4為電容測量電路示意圖，Vc為充電電壓，開關(guān)K1、K2、K3、K4受時鐘脈沖控制。一個完整的測量過程包括充放電兩個周期：K1與K2導(dǎo)通，K3與K4關(guān)斷為充電狀態(tài)，將被測電容Cx 充電到Vc；K1與K2關(guān)斷。K3與K4導(dǎo)通為放電狀態(tài)，被測電容中的電荷由電荷檢測器檢出，輸出正比于被測電容的電壓信V0

    V₀=fR_fC_xV_c            （1）

    1.2.2 輸出設(shè)備設(shè)計

    輸出設(shè)備包括顯示輸出和模擬傳輸出部分。

    雙排液晶作為顯示輸出設(shè)備，通過I²C總線接收微處理器發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，同時顯示瞬時流量和累計流量。

    模擬遠傳模塊通過PWM脈寬調(diào)制完成。微處理器根據(jù)設(shè)置的滿度流量和計算的瞬時流量，調(diào)制輸出脈沖的占空比，通過濾波電路轉(zhuǎn)換為正比于瞬時流量的電壓值，并經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換接口電路，變成4~20mA電流信號實現(xiàn)遠傳。

    1.3 軟件設(shè)計

    軟件采用模塊化設(shè)計，按功能分為4部分：輸入、輸出、流量計算和數(shù)字通訊，各部分根據(jù)具體情況細分為多個模塊，完成相應(yīng)功能，如圖5所示。

    AD轉(zhuǎn)換器采集角位移傳感器輸出電壓信號，采集時間間隔為10ms，采集的電壓值經(jīng)數(shù)字濾波后，用于流量計算；鍵盤處理模塊采用中斷方式，根據(jù)鍵值，實現(xiàn)表1所示功能。

    表1 按鍵功能列表

    在計算模塊中，首先利用式（1）計算標定流量值，其次，根據(jù)內(nèi)部參數(shù)，確定測量介質(zhì)種類，采用相應(yīng)的流量修正議程，計算出實際工況流量，最后對瞬時流量進行累計計算，并存儲于EEPROM。

    2 整機調(diào)試

    采用準確度為0.07%的水流量標準裝置對15mm 口徑的浮子流量計整機進行標定，該浮子量程為0.04~0.4m³/h，標定結(jié)果如表2所示。

    基本誤差計算公式為：

            （2）

    式中：γ為相對誤差；Xf為浮子流量計測量值；Xs為標定點流量值；Xmax為浮子流量計最大測量值。

    表2 15mm浮子流量計整機標定結(jié)果

    該浮子流量計最大基本誤差為0.75%，滿足1級浮子流量計的要求。

    3 結(jié)論

    本文研制的金屬管浮子流量計具有較高的智能化水平，通過自主設(shè)計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉(zhuǎn)換為反映角度變化的電信號，利用程序預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型進行流量計算，提高了計算精度，而且，無需根據(jù)被測介質(zhì)的密度、工況條件和流量范圍進行逐臺設(shè)計制造，對于同一管道傳輸多種介質(zhì)的情況，用戶可根據(jù)使用情況在線進行設(shè)置，給生產(chǎn)廠商和使用者帶來極大的方便。