智能通用型金属管浮子流量计研究

    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，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。

    传统的机械式金属管浮子流量计，由于其局限性，无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 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；
    （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：

    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、写配置参数帧、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<>和移动键<>）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゜^[2]，为了减少电场边缘效应影响，实际使用中，电容敏感元件控制在5~35゜变化范围。

    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[3-4]。图4为电容测量电路示意图，Vc为充电电压，开关K1、K2、K3、K4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Cx 充电到Vc；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V0

    V₀=fR_fC_xV_c            （1）

    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I²C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电流信号实现远传。

    1.3 软件设计

    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。

    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0.04~0.4m³/h，标定结果如表2所示。

    基本误差计算公式为：

            （2）

    式中：γ为相对误差；Xf为浮子流量计测量值；Xs为标定点流量值；Xmax为浮子流量计最大测量值。

    表2 15mm浮子流量计整机标定结果

    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。