新型科里奧利質(zhì)量流量計的軟件設計

摘要：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(zhì)量流量計軟件部分的設計與實(shí)現。并對關(guān)鍵技術(shù)（密度、流量公式）及難點(diǎn)（浮點(diǎn)數至ECD碼的轉換）做了具體說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：科里奧利 質(zhì)量流量計 BCD碼

前言

科里奧利質(zhì)量流量計，是一種利用流體渡過(guò)振動(dòng)的管道時(shí)所受到的得里奧利力與流體質(zhì)量成正比的原理制成的直接式高精度自動(dòng)化儀表。它廣泛應用于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域中，如油品、化工、醫藥，食品等介質(zhì)的測量，得里奧利質(zhì)量流量計和其它計量產(chǎn)品相比有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（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(wú)可動(dòng)部件，所以即使介質(zhì)的潤滑性能差，讀數也不受影響。為了提高科里奧利質(zhì)量流量計的測量精度，我們利用PLD器件開(kāi)發(fā)了新一代U形雙管式科式質(zhì)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(jìn)行處理。這種方法實(shí)現的系統與同類(lèi)產(chǎn)品相比具有體積小、功耗低、功能強、精度高、適應性強等特點(diǎn)，本文主要介紹了這種新型科氏質(zhì)量流量計的系統結構，軟硬件的實(shí)現及關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

系統原理及結構框圖

典型的CMF的傳感器的主要部分是流量管，驅動(dòng)線(xiàn)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(dòng)，當流體通過(guò)固有頻率振動(dòng)的傳感器時(shí)，就產(chǎn)生了科氏力。位于流量管的進(jìn)流側和出流側的兩個(gè)檢測器，可檢測出兩路頻率相同，但有相位差的振動(dòng)信號。其相位差同瞬時(shí)流量成正比。當流量增大時(shí)，兩個(gè)檢測器的信號時(shí)間差（等效于相位差）就增大。振動(dòng)信號周期與流體密度密切相關(guān)，流體密度愈大，振動(dòng)周期愈大。因此通過(guò)對這兩路信號的相位差及周期進(jìn)行處理，可以得到流體的流速及密度。整個(gè)利用PLD技術(shù)的科理奧利質(zhì)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(jīng)過(guò)數字化后才可進(jìn)行進(jìn)一步處理。由檢測管產(chǎn)生的兩路有相位差的正弦信號通過(guò)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(chǎn)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(jìn)行幀編碼再存儲于FIFO中。

單片機負責對數據進(jìn)行處理，而PLD模塊負責整個(gè)系統的同步和各種控制信號的產(chǎn)生。系統測量流量的同時(shí)，通過(guò)測量振動(dòng)管的固有頻率，計算出管道內流動(dòng)介質(zhì)的密度，并顯示。系統采用字符點(diǎn)陣LCD顯示器，用于顯示瞬時(shí)流量、介質(zhì)密度、時(shí)間、介質(zhì)溫度等參數。當系統意外掉電時(shí)，利用看門(mén)狗及時(shí)通知單片機，迅速保存系統參數至EEPROM中，以便于下次啟動(dòng)時(shí)原來(lái)所測歷史數據能夠被充分利用。系統可以與主機進(jìn)行串行異步通信，隨時(shí)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(wù)程序）組成。這里僅給出軟件流程圖，如圖2所示。

其中，系統初始化完成關(guān)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(hù)的字符（如LIULIANG，US等）。針對用戶(hù)的需求，功能按鍵往往不止一個(gè)，這樣，需擴展中斷源，在按鍵中服務(wù)程序中，首先判斷具體是哪個(gè)按鍵引起的中斷，然后進(jìn)入相應的服務(wù)程序。在FIFO中斷服務(wù)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(wù)程序中返回后，對幀解碼后的數據進(jìn)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(shí)間段流體的質(zhì)量。與主機串行通信部分，其中的通信波特率，奇偶校驗通過(guò)Kermite協(xié)議完成。傳送給PC主機的數據有：系統時(shí)間、瞬時(shí)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(jìn)行數據計算處理，并可以存入數據庫，進(jìn)行數據查詢(xún)和報表打印，系統可以接收主機發(fā)來(lái)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(jìn)制到BCD碼、BCD到二進(jìn)制轉換子程序、整數平均值計算、浮點(diǎn)數計算、無(wú)符號數平均值計算等。

關(guān)鍵技術(shù)

科氏質(zhì)量流量計的關(guān)鍵技術(shù)是：

①科氏質(zhì)量流量計的質(zhì)量流量測量和密度參數都與流量管的振動(dòng)有關(guān)，所以流量管的任何特性變化，例如因流體溫度或環(huán)境溫度變化而改變流量管材料的楊氏模量和產(chǎn)生零飄，都將影響測量精度。當流體溫度發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)流側和出流側的探測器輸出的信號頻率也發(fā)生變化。如果溫度升高，將使流量管的振動(dòng)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(lái)修正溫度變化所造成的影響。

具體來(lái)說(shuō)，流量管的振動(dòng)頻率，與管子形狀、材料、端面約束情況有關(guān)，同時(shí)還與管內介質(zhì)的密度有關(guān)。早期國外的有關(guān)廠(chǎng)家采用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合得到密度P與振動(dòng)周期T的數學(xué)關(guān)系式。

其中，p為流體密度，T為流量管的振動(dòng)周期，K0,K1,K2為標定常數。

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(diǎn)后三位，而浮點(diǎn)數式最后的計算結果是無(wú)法直接顯示的，需要將它轉換成十進(jìn)制小數數據。通過(guò)三個(gè)步驟將三字節浮點(diǎn)數轉換成壓縮BCD碼，首先將浮點(diǎn)數除去符號后的數值部分通過(guò)連續的乘10或除10操作（浮點(diǎn)數運算），將浮點(diǎn)數轉換到0～65535之間，然后將浮點(diǎn)數轉換成雙字節無(wú)符號數，最后將雙字節無(wú)符號數轉換成十進(jìn)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(lái)確定小數點(diǎn)的位置。數據的正或負在轉換開(kāi)始時(shí)可方便的通過(guò)檢測數符來(lái)確定，存放于位地址中。

結束語(yǔ)

本儀器具有實(shí)時(shí)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(jìn)。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。