涡街流量计的二次仪表设计

摘要：流量测量在经济建设和社会生活的各个方面得到广泛的应用。涡街流量计通常由流量传感器(又称一次仪表)和流量显示器(又称二次仪表)组成，介绍一种流量计的设计思路，给出硬件组成和软件框图。
关键词．涡街流量计；单片机；累积流量；瞬时流量

1 引言
    随着现代工业自动化水平的不断提高，在很多情况下需要集中监测多个流量点，如在石油注水开采过程中，为了保持开采效果、保护地下环境及随后分析注水数据，需要对注水量进行监测，在油田系统中逐渐使用智能仪表来计量油井的出油量。计量仪表精确度的高低直接影响企业的经济效益。目前，我国的流量计起步晚，起点低，还比较落后。使用单片机开发的流量计作为二次仪表是非常适用的，对油田自动化有很大的促进。

2 系统原理
    就整体结构而言，流量计主要由涡街流量传感器、前置放大器、计数显示单元组成。涡街流量传感器主要由漩涡发生体、漩涡频率检测器和壳体构成，其作用是产生稳定和强烈的漩涡，并检出产生漩涡的频率和输出与漩涡频率成正比的电信号。漩涡发生体是涡街流量计的重要元件，为了产生强烈和稳定的涡街，并在较宽的管道雷诺数范围内具有恒定的斯特劳哈尔数以保证仪表的线性输出，漩涡发生体必须有一定的形状、结构和尺寸比例，这要通过实践来确定。

    就一般情况来说，由于检测元件输出的信号比较微弱且含有噪声，所以各种检测方式的前置放大器还应包括放大、滤波、整形等部分，合起来也称为一次仪表。
 
    计数显示单元也称为流量计的二次仪表，一般由单片机系统构成流量显示仪表，它对转换器输出的信号进行计数以实现对流量的记录、存储、计算和设置等功能。另外，还要控制液晶显示器以显示其测得的瞬时流量和总流量等信息。有的流量计为了与远程计算机进行数据通信，还带有通信接口，以实现动态监控。

    用单片机开发的仪表具有多种功能。由软件调节非线性误差的智能流量显示仪是和各种脉冲输出的一次流量测量仪表相配套的二次仪表，具有如下特点：
    ●采用微处理技术，可靠性高；
    ●采用微功耗器件，耗电少，适合电池供电；
    ●可同时显示累积流量和瞬时流量；
    ●采用智能多段流量软件补偿技术，测量精度高；
    ●可以存储流量。

    它的技术性能如下所述。

    输入信号是一次仪表的频率输入信号，与流量传感器相接，经检测、放大后得到被测介质的流量，信号频率为0MHz~1 000Hz的脉冲信号。传感器连接电缆的长度小于1 000m，导线电容小于0．1μF，电感小于10mH，智能流量显示仪(二次仪表)放在计量间里，每个计量间可容纳30台显示仪。

    输出信号有2种：累积流量显示是8位浮点式，开始显示小数点后5位(0.000 00m3)，最后显示小数点后3位(0 000．000m3)，表示仪表开始工作后的累计流量；瞬时流量显示是4位浮点式，开始显示小数点后2位(00．00m3)，最后显示小数点后1位(000．Om3)，表示当前的瞬时流量。

    抗干扰：lOkW～17kW电机转动，显示不变化。
    准确度：无修正时为3％左右，修正后为±0．01％。
    流量修正范围：在全流程范围内8段进行补偿修正。
    设置累积流量的补偿系数位：最多8位整数。
    电源：4V～5V直流。
    总耗电：<1．0mW。
    带LB欠压指示。
    环境温度范围：-20℃～70℃。
    相对湿度：<85％。
    隔爆型外壳。

3 硬件组成
    硬件中的核心是ATMEL公司生产的AT89C51/LV51型单片机，它是低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内有1个4K字节的Flash可编程和可擦除只读存储器，采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，其输出引脚和指令系统与MSC-5l型单片机兼容。

    存储流量用的存储器是ATMEL公司的AT24C16系列，它是带有2K字节Flash的可电擦除、可编程只读存储器。单片机的。RXD口和TXD口分别与它的SCI．和SDA相连，进行读写操作。
 
    测量时，用1个1s的硬件复位电路接到。RE-SET端，使单片机定时复位。单片机以省电模式工作，每次输入、累计、显示处理后等待唤醒，工作功耗非常小。设置补偿系数时，复位脚正常连接。
 
    输入脉冲通过分频和74HC393锁存后，送入单片机的P2口。在单片机内经过程序处理后，输出显示信号送到P1口(数据4位，选择信号4位)。数据中有4位送入MC14543(BCD锁存/7段译码/驱动动器)中，共有12个MC14543，分别控制与累计流量8位及瞬时流量4位相连的液晶块的显示数据，4位选择信号送到CD4514型译码器(4位锁存，4-16线译码器)，选择接收数据的MC14543型电路和浮动显示的小数点位。

    硬件分为二部分：控制部分对流量信号进行处理，得到累积流量和瞬时流量的显示数据，如图1所示；显示部分将显示数据送到液晶显示屏，如图2所示。这二部分通过10针的插座J1相连。

4 软件设计
    主程序框图如图3所示。

5 使用效果与改进
    本智能流量显示仪用于现场测量已有5年多时间，运行可靠，测量准确，性价比非常高，易于功能扩展。现已加入流量报警和控制流量大小等功能。当流量超过设定的报警值时，能发出语音报警；当设定流量控制参数后，可自动调节流量大小。该仪表也可以结合工业组态软件MCGS或组态王，作为下位机收集流量数据，送给组态服务器进行处理。