多功能超小流量计的设计

    0 引言

    流量计是测量流过管道液体的总量和瞬时流量的一种仪器，该仪器使用范围很广，在化工企业、洗衣机厂家以及实验室等场所得到广泛的应用。

    流量计种类多样，有孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计和转子流量计等，对小流量的测量大部分采用涡轮流量计，其优点是结构简单、测量精度高。

    目前超小流量的测量几乎是空白，其最主要原因是由于其瞬时流量较小，流量的液体不能带动涡轮转动，即使能带动，其测量误差也较大，解决此问题的方法只能减小流量计的口径，这将大大增加制造工艺的难度；另一方面，因为小口径涡轮流量计的口径小，受外界水压的干扰特别明显，当管道水压稍有变化时就会导致流量计产生误动作，从而产生测量误差。近期随着“洗衣机烘干检测标准”的出台，洗衣机厂家对超小流量计的需求将大大增加。因此，研究和设计超小流量计就显得非常必要。

    1 设计方案

    根据需求，该流量计的设计需要具有一些功能：1）具有积算系数存储功能，并且能将流量积算系数存入传感器探头内； 2）关机后，累积流量仍然保存在流量计内，不丢失； 3）流量积算系数可以通过键盘进行修改；4）瞬时流量和累积流量通过LCD同时显示；5）瞬时流量和累积流量通过RS485口送至PC机。

    本流量计由流量采集、放大、数据处理、按键处理、显示、数据通讯和系统软件等组成。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

    2 流量计的设计

    2.1 总体设计

    系统中的4台流量计分别通过RS485口与系统PC机进行通讯。每台流量计都采用两片单片机，一片用于采集数据，信号处理；另一片用于数据处理，送LED显示并实现通讯功能。每台流量计的原理框图如图2所示。

图2 一台流量计内部原理框图

    2.2 流量传感器的设计

    根据市场的需要，流量计应选择测量范围宽、精度较高的传感器。符合这两个要求的流量计有三种：容积式流量计、科里奥利质量流量计和涡轮流量计。

    容积式流量计的显著特点是精度高，但该流量计的缺点是结构复杂、体积大、笨重，被测介质种类、介质工况（温度、压力） 、口径局限性较大，适应范围窄。大部分容积式流量只适用洁净单相流体，当含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作。

    科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。该流量计的特点是直接测量质量流量，有很高的测量精确度。但该流量计的缺点是零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高。其次，该流量计对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的科里奥利流量传感器安装固定要求较高。压力损失较大，价格也比较昂贵。

    涡轮流量计是叶轮式流量（流速）计的主要品种。其特点：结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和低温）等。

    综合考虑以上三个种类的流量计，我们采用涡轮式流量计来做超小型流量计。

    涡轮流量传感器的内部结构如图3所示。

图3 传感器内部结构图

    它包括安装在壳体内的紧固件、前导向件、止推片、叶轮、磁电感应式信号检出器、轴承、后导向件和信号处理电路。前、后导向件由紧固件装在壳体内管道中，方向与管道方向相同。装有叶轮的轴承两端分别设在前、后导向件内，在轴承的两端还分别设有止推片。磁电感应式信号检出器为变磁阻式，包括永久磁钢、铁芯、线圈，该磁电感应式信号检出器设在叶轮上方。

    这种装置的原理是：当被测液体流过传感器时，在流体的作用下，叶轮受力发生旋转，其转速与管道平均流速成正比，永久磁钢对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，叶轮的转动周期的改变也改变了磁电转换器的磁阻值（相当于是一个化简的直流发电机结构），检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经过放大器放大后，送至微处理器，微处理器将信号进行数据处理后，送显示、送PC机等。

    2.3 信号处理单元的设计

    在流量计的设计中，对流量传感器的信号要进行一定的处理以满足系统的需要。其主要信号处理原理为：涡轮流量传感器工作时使得传感器上方的磁感应线圈内的磁通量发生变化，磁通量的变化经过磁电转换器（如图3所示） 变成电压的变化，通过运算放大器组成的前置放大电路，将电压信号放大到6V左右后传输到流量计主机。流量计主机将收到的信号经过比例积分电路进行放大滤波，再经过反相器进行整形，然后将信号通过光电隔离器，以增加电路的抗干扰能力，隔离后的信号直接送至单片机系统。

    流量传感器的信号处理单元原理框图如图4所示。

图4 信号处理单元

    2.4 单片机系统设计

    单片机系统完成的任务较多，而且实时性要求高，这给单片机系统的设计带来一定的困难。单片机系统首先要采集流量传感器送来的信号，而且必须是实时的，否则就会使得信号丢失，导致采集信号不准确； 其次单片机要对LCD进行显示控制，因为LCD是点阵显示的，刷新一次需要的时间较长；最后，就是要将处理好的数据送至PC机系统了，一方面采用中断的方式接收PC机送来的数据，另外，采用查询的方式将相对应的数据送至PC机。如果用一个单片机实现以上所有的功能，时间上会来不及，所以采用了两个单片机，使得系统能够比较平稳的运行。其中单片机A主要负责采集信号，单片机B主要负责数据处理、送LCD显示、通讯等功能。

    单片机A开放了两个中断，一个是外部中断，一个是定时中断。外部中断负责采集经过处理的涡轮流量传感器的信号；定时中断每隔1s钟对EEP-ROM写一次数据，并在写完数据后通知单片机B对EEPROM内的数据进行读取。单片机A的主程序流程如图5所示。

图5 单片机A的主程序流程图

    单片机B上电后，首先对安装在传感器探头内的EEPROM进行读数据，该数据是流量积算系数。当得到单片机A的可以读EEPROM的信号后，读出EEPROM指定单元的数据，然后将两次读得的数据进行处理，处理后的数据一方面送至LCD进行显示；另一方面通过中断的方式，通过RS485接口将数据送至PC机。另外，单片机B负责扫描键盘，键盘有五个按键，分别是“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“确定”，它们主要用于参数的设定。单片机B的主程序流程图如图6所示。

图6 单片机B的程序流程图

    2.5 LCD显示单元的设计

    本流量计采用192×64的LCD点阵式显示屏。该点阵显示屏中，主要芯片为HD61203和HD61202。HD61203 是行驱动器，它能驱动64行；HD61202是列驱动器，每一个列驱动器能驱动64列，3个HD61202刚好能驱动192列。DB0－DB7是单片机系统送数据给LCD显示单元的接口部分；RS端置高电平时，表示DB0－DB7发送的是数据，置低电平时，表示DB0－DB7发送的是命令；R/W置高电平表示对LCD单元进行读操作，置低电平表示对LCD单元进行写操作； E端是使能端，当置E端的电平由高电平跳变置低电平转换时，就可以对LCD显示单元进行操作，否则，单片机系统不能多LCD单元进行任何操作；RST是复位端，低电平有效；CAS/CSB是两个选通组合信号，当CSA/CSB=00选通IC1，CSA/CSB=01选通IC2，CSA/CSB=10选通IC3。该显示屏的原理框图如图7所示。

图7 LCD显示单元原理图

    3 单片机系统与PC机的通讯

    3.1 单片机系统与PC机的通讯过程

    单片机系统与PC机通讯时，PC机作为主机，整个系统在运行过程中，单片机通过中断接收数据，并对数据进行分析、判断，最后做出相应的回应。

    3.2 单片机系统与PC机的通讯协议

    为了能够让单片机系统与PC机比较准确的通讯，制定了以下通讯协议：

    1）PC机查询流量计的联机情况

    PC机发送*A……（A的补码，两个字节）#，其中*是起始位，#是停止位，表示查询流量计是否联机；当单片机收到该代码后，回复*B……#，表示该机连于单片机后。如果PC机发送两遍后仍收不到数据或收到的数据不正确，表示该端口流量计没有联机。

    2）PC机要求单片机系统发送累积流量和瞬时流量

    PC机发送*C……（C的补码，两个字节）#，各代码在查询时所代表的含义相同；当单片机收到相同该代码后，回复*C（累积流量和瞬时流量的数据） （C、累积流量、瞬时流量和的补码） #。

    4 其他设计

    4.1 抗干扰设计

    当涡轮流量计的下游阀门截止的时候，由于外界水压的不断变化，会导致涡轮流量计的叶轮不停的转动，也就是不进水的时候，传感器仍工作。为了克服外界水压的干扰，我们初步设想，在传感器的上游安装一个单向阀，在下游阀门截止的时候自动关闭，切断外界水压对传感器的影响；另一方面，如果下游阀门导通时，该器件也能自动打开，使得能够顺利进水。另外，通过屏蔽、光电隔离等方法克服现场环境对信号的干扰。

    4.2 探头自动校准

    不同的涡轮流量传感器由于制造工艺的差异，导致相同型号的涡轮流量传感器具有不同的校正系数，按照以前的方法更换一个涡轮流量传感器就要重新标定参数，使得使用很不方便，降低了传感器的通用性。当涡轮流量传感器探头内安装了带有校准系数的芯片，换了传感器涡轮流量传感器就不必重新校正系数，这大大提高了探头的通用性，也使得用户使用更加方便。

    5 结论

    该多功能智能化超小流量计测量范围为：0.03～0.16m³/h，工作压力为6.3MPa。该流量计采用了较新的技术，具有性能好、价格低、操作简单、显示简洁明了等特点，具有广阔的市场前景。