在石油、化工等生產(chǎn)過程中, 對管道內(nèi)液體和氣體的流量進(jìn)行測量和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要組成部分。 渦街流量計具有量程寬, 無可動部件, 運行可靠, 維護(hù)簡單, 壓力損失小, 具有一定的計量精度等優(yōu)點。[1] 特別是在很寬的范圍內(nèi), 它的測量與介質(zhì)的密度、粘度等物性參數(shù)無關(guān), 因而受到普遍歡迎。 本文介紹應(yīng)用 MCS -51 單片機設(shè)計的智能渦街流量計, 對渦街流量計固有的非線性進(jìn)行修正 , 并具有顯示、打印、檢測參數(shù)的種類以及數(shù)據(jù)處理等功能 , 從而拓寬了渦街流量計的應(yīng)用范圍。
工作原理
 
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發(fā)生體), 就會在其下流兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街 , 其漩渦頻率正比于來流速度 :^[2]
 

 
d — 漩渦發(fā)生體寬度 u — 來流速度 S t — 斯特勞哈爾數(shù)
當(dāng)雷諾數(shù) Re <2 ×10⁴ 情況下 , S t 為變數(shù) :當(dāng) Re 在 2 ×10⁴ ～ 7 ×10⁶ 的范圍內(nèi) , S t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(dāng) d 和St 為定值時 , 漩渦產(chǎn)生的頻率 F 與流體的平均流速u 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(cè)的流速。^[3] 對于湍流狀態(tài) , 不同的雷諾數(shù)下, 流速分布規(guī)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(cè)的流速與管道平均流速的關(guān)系不是確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時, 先繪出傳感器的儀表系數(shù)與頻率的試驗曲線 f(F)。

 式中 G(F)是同一口徑的各臺儀表相同的曲線形狀(僅是位移不同)。K 是平均儀表系數(shù)。在本文應(yīng)用MCS -51 單片機的智能渦街流量計中 , 通過將試驗曲線形狀 G(F)事先固化于流量計的 EPROM 中,和讓用戶結(jié)合現(xiàn)場具體工況通過鍵盤輸入 K 的值,實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正。
 硬件設(shè)計圖 1 是系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖 1  硬件原理框圖
  根據(jù)設(shè)計要求 , 單片機應(yīng)用系統(tǒng)[ 4] 包括:(1)接受變送器送來的與流量成正比的脈沖, 并對其定時、計數(shù)的電路;(2)顯示器, 鍵盤, 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:

圖 2  鍵盤/ 顯示器及打印機接口電路

(1)顯示器接口設(shè)計
 
設(shè)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(shù)據(jù)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(jié)果的小數(shù)點位經(jīng)驅(qū)動器后接 LED 的小數(shù)點發(fā)光段 ;PB5 作為極性控制位單獨控制一個發(fā)光二極管以顯示測量結(jié)果的正負(fù)。 8155 的 PC 口定義為輸出口 , PC0 ～ PC5 分別控制 6 位 LED 的位選通 , 實現(xiàn)動態(tài)掃描方式顯示。

(2)鍵盤接口設(shè)計
  在圖 2 所示的鍵盤接口中, 由 6 個鍵組成鍵盤。 8031 用外部中斷 INT0 作為鍵盤狀態(tài)輸出。 在 6 個鍵中, 鍵。按下編程鍵后 , 進(jìn)入編程狀態(tài), 用戶輸入平均儀表系數(shù)。 選項鍵用來確定顯示那種流量表達(dá)方式(如體積流量 、質(zhì)量流量等), 鍵盤的列掃描信號來自于 PC 口輸出的 LED 位選通信號:鍵盤的行輸入信號由鍵盤是否閉合得到。 沒鍵按下, 鍵狀態(tài)為開, INT0 位高電平, 中斷不被觸發(fā) ;若有鍵按下, 鍵狀態(tài)為閉 , INT0 由高點平變?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(yīng)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(shè)計
 采用GP -16 通用智能微型打印機, 自帶 8039 單片機。 它可以把 8031 送來的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)或圖形三種方式打印出來 ;它與儀表的接口設(shè)計如圖 2 所示, 它的8 根雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線 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(tǒng)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(shè)計非常簡單。

2、外部存儲器的擴展:
(1)程序存儲器 EPROM 的擴展由于 8031 片內(nèi)沒有 EPROM , 故 8031 單片機需要外擴一片 EPROM2764(8K 字節(jié))。 在P0 口送出的低 8 位地址時 , 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 。
  其中兩個鍵定義為“加一鍵” 和“減一鍵” 。 另外4 個鍵分別為打印鍵 , 編程鍵 , 選項鍵以及復(fù)位

(2)數(shù)據(jù)存儲器的擴展
 MCS -51 單片機內(nèi) RAM 為 128 個字節(jié), 因其容量不能滿足設(shè)計要求 , 故本機擴展 8K 字節(jié)靜態(tài)RAM6264 一片 。本機外擴展的RAM 和EPROM 電路如圖3 所示:

軟件設(shè)計：
本機軟件采用模塊結(jié)構(gòu), 其 4 個主要部分分別如下。
1、主程序：
 主程序為本儀器的監(jiān)測程序。 在程序運行中 , 必須首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化, 清各工作單元, 置計數(shù)器及標(biāo)志位初值 , 自檢指示燈 , 開中斷, 啟動計數(shù)器等工作。儀器采用微型鍵盤和 LED 指示燈相配合 , 使儀器的各種功能清晰有序。
 鍵盤子程序包括 :掃描鍵盤子程序。 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(qū)動程序 ;通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據(jù)按鍵的位置一行行的掃描。表驅(qū)動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(qū)中的字碼轉(zhuǎn)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 , 因此稱之為通用顯示子程序 , 以便與顯示功能塊相區(qū)別。

2、中斷服務(wù)程序：
儀器的測量、轉(zhuǎn)換等程序均通過中斷方式同主程序相連, 單片機內(nèi)的兩個定時器計數(shù)器均作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要, 所以定時器 T0 被用來測評, 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：
 儀器通過鍵盤輸入命令 , 可隨時得到用戶所需的結(jié)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(jù)用戶的需要轉(zhuǎn)入相應(yīng)的入口參數(shù) , 再經(jīng)過碼之轉(zhuǎn)換, 送至顯示緩沖區(qū)中。 打印程序包括打印質(zhì)量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。
4、使用計算子程序主要包括計算流量的程序：
 采用的是浮點制運算子程序, 這些運算子程序可直接調(diào)用。

廠家價格：

產(chǎn)品參數(shù)：

 

結(jié) 論：
 采用上述設(shè)計的智能化渦街流量計 , 可讓用戶完成了對渦街流量計非線性修正, 拓寬了渦街流量計的應(yīng)用范圍。