新型科里奧利質量流量計量表的軟件設計

發布：2019-02-22 | 點擊：人次

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本文詳細闡述了測量流體流速、密度、流量的一種新型科里奧利質量流量計軟件部分的設計與實現。并對關鍵技術（密度、流量公式）及難點（浮點數至ECD碼的轉換）做了具體說明。

前言

科里奧利質量流量計，是一種利用流體渡過振動的管道時所受到的得里奧利力與流體質量成正比的原理制成的直接式高精度自動化儀表。它廣泛應用于過程工業領域中，如油品、化工、醫藥，食品等介質的測量，得里奧利質量流量計和其它計量產品相比有三個優點：（a）不需要壓力的修正；（b）集測量流量、溫度、密度于一體；（c）內部無可動部件，所以即使介質的潤滑性能差，讀數也不受影響。為了提高科里奧利質量流量計的測量精度，我們利用PLD器件開發了新一代U形雙管式科式質量流量計，對由檢測管所獲得的兩路信號以及溫度信號采用計數方法進行處理。這種方法實現的系統與同類產品相比具有體積小、功耗低、功能強、精度高、適應性強等特點，本文主要介紹了這種新型科氏質量流量計的系統結構，軟硬件的實現及關鍵技術和難點。

典型的CMF的傳感器的主要部分是流量管，驅動線圈探測器和測量溫度的熱敏電阻。其中流量管有U型，直管型等形狀。我們采用了U型雙管式。流量管以固有頻率振動，當流體通過固有頻率振動的傳感器時，就產生了科氏力。位于流量管的進流側和出流側的兩個檢測器，可檢測出兩路頻率相同，但有相位差的振動信號。其相位差同瞬時流量成正比。當流量增大時，兩個檢測器的信號時間差（等效于相位差）就增大。振動信號周期與流體密度密切相關，流體密度愈大，振動周期愈大。因此通過對這兩路信號的相位差及周期進行處理，可以得到流體的流速及密度。整個利用PLD技術的科理奧利質量流量計系統結構如圖1所示。

原始的相位差、周期、溫度等信號需要經過數字化后才可進行進一步處理。由檢測管產生的兩路有相位差的正弦信號通過模擬部分的處理生成兩路同周期、有相位差的方波信號，連同溫度傳感器產生的溫度信號送至數據采集單元。在這里，它們被數字化采樣，而后進行幀編碼再存儲于FIFO中。

單片機負責對數據進行處理，而PLD模塊負責整個系統的同步和各種控制信號的產生。系統測量流量的同時，通過測量振動管的固有頻率，計算出管道內流動介質的密度，并顯示。系統采用字符點陣LCD顯示器，用于顯示瞬時流量、介質密度、時間、介質溫度等參數。當系統意外掉電時，利用看門狗及時通知單片機，迅速保存系統參數至EEPROM中，以便于下次啟動時原來所測歷史數據能夠被充分利用。系統可以與主機進行串行異步通信，隨時將數據傳輸給PC主機。

軟件設計部分

系統的軟件設計采用模塊化結構，由主程序、子程序（含中斷服務程序）組成。

其中，系統初始化完成關中斷，設置串行通信波特率，液晶顯示屏清零，并顯示必要的提示用戶的字符（如LIULIANG，US等）。針對用戶的需求，功能按鍵往往不止一個，這樣，需擴展中斷源，在按鍵中服務程序中，首先判斷具體是哪個按鍵引起的中斷，然后進入相應的服務程序。在FIFO中斷服務程序中，首先將FIFO中的幀數據取出，然后存儲于相應的RAM地址單元。當程序從FIFO中斷服務程序中返回后，對幀解碼后的數據進行處理，主要包括按照密度公式和流速公式，由相位、周期、溫度數據求出流體的密度，和在一定時間段流體的質量。與主機串行通信部分，其中的通信波特率，奇偶校驗通過Kermite協議完成。傳送給PC主機的數據有：系統時間、瞬時流量、密度、溫度等參數。在PC主機中，可以利用其強大的硬件功能和良好的人機界面，進行數據計算處理，并可以存入數據庫，進行數據查詢和報表打印，系統可以接收主機發來的溫度校正參數和其它指令。

子程序主要完成輔助的功能，有LCD顯示子程序、二進制到BCD碼、BCD到二進制轉換子程序、整數平均值計算、浮點數計算、無符號數平均值計算等。

關鍵技術

科氏質量流量計的關鍵技術是：

①科氏質量流量計的質量流量測量和密度參數都與流量管的振動有關，所以流量管的任何特性變化，例如因流體溫度或環境溫度變化而改變流量管材料的楊氏模量和產生零飄，都將影響測量精度。當流體溫度發生變化時，進流側和出流側的探測器輸出的信號頻率也發生變化。如果溫度升高，將使流量管的振動頻率降低。把裝在流量管上的熱敏電阻測量的溫度輸入到單片機中，來修正溫度變化所造成的影響。

具體來說，流量管的振動頻率，與管子形狀、材料、端面約束情況有關，同時還與管內介質的密度有關。早期國外的有關廠家采用zui小二乘法進行線性擬合得到密度P與振動周期T的數學關系式。

②另外，在數據顯示部分運算中，由于系統精度的要求，數據顯示要精確到小數點后三位，而浮點數式zui后的計算結果是無法直接顯示的，需要將它轉換成十進制小數數據。通過三個步驟將三字節浮點數轉換成壓縮BCD碼，首先將浮點數除去符號后的數值部分通過連續的乘10或除10操作（浮點數運算），將浮點數轉換到0～65535之間，然后將浮點數轉換成雙字節無符號數，zui后將雙字節無符號數轉換成十進制數，轉換后的三字節壓縮BCD碼存放在單片機連續的地址寄存單元中。乘10或除10的次數可以來確定小數點的位置。數據的正或負在轉換開始時可方便的通過檢測數符來確定，存放于位地址中。

結束語

本儀器具有實時測量流體流速、密度、流量的功能。在其數字部分中，使用了PLD器件，大大提高了系統的集成度，減小了系統硬件體積，降低了系統功耗，也便于儀器的調試以及以后功能的改進。由于集成度的提高，也大大增加了系統的可靠性。

不足之處是有一定局限性，不適宜測量小相位差，以及容易受噪聲的干擾。

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