[導讀] 本文設計了一種配置微處理器的通用型智能金屬管浮子流量計，該流量計可靈活地計算、修正流量，并通過參數配置，實現不同介質及工況條件下的流量測量，為石化、造紙、化工等行業同一管道傳輸不同種類或工況介質的流量測量提供了解決方案。
0 引言
浮子流量計安裝方便、堅固可靠、耐高溫高壓，廣泛應用于液體、氣體、蒸汽等介質流量的測量和自動控制系統，特別適合于精細化工、化肥、石化、乙烯、冶金、造紙等行業的高溫高壓、易燃易爆、強腐蝕介質的測量過程。
傳統的機械式金屬管浮子流量計，由于其局限性，無法進行流量的精確計量。即便是改進型的機械式金屬管浮子流量計，用凸輪板和轉角變送器進行修正，雖能提高精度，但凸輪板的加工需要考慮不同測量介質及工況條件，且機加工的復雜度很高，流量計量的精度仍受到加工精度的限制。因此，設計了一種可以通過微處理器靈活配置參數、適應不同測量介質和工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計，其結構如圖1所示。通過自行設計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉換為反映角度變化的電信號，利用程序預設的數字模型進行流量計算，克服了凸輪式機械結構進行流量計算固有的弊端。
1 通用型智能金屬浮子流量計設計
本文開發了一種人機界面友好，具有流量自動修正功能，廣泛適用于液體、氣體及不同工況條件的通用型智能金屬管浮子流量計。
1.1 配置參數設計
為提高計算精度，靈活進行參數配置以適應不同工況條件，將配置參數分為內部和外部參數兩類。
1.1.1 內部參數配置
內部參數包括浮子密度、口徑、測量介質種類、測量范圍以及本機儀表系數，由配置軟件在出廠標定時設置。該軟件運行于Windows平臺，將浮子標定過程與內部參數配置融合為一體，其工作過程如下：
（1）設定編號、口徑、標定點數、浮子密度和測量介質，為方便使用，可選是否正反行程標定；
（2）選擇測量范圍；
（3）開始實際標定，產生角位移傳感器輸出電壓與標定點流量的對應列表；
（4）自動進行數據擬合，計算本機儀表系數，并將內部參數寫入浮子流量計。
計算機與智能金屬管浮子流量計通訊采用異步串行通訊方式，由于通用串行通訊協議較復雜，因此。自定義了一種簡化通訊協議，其幀格式為：
其中，方向標志表示數據的傳送方向。“>”為下行標志（0x3E），表示數據由計算機發送到智能浮子流量計；“<”為上行標志（0x3C），表示數據由智能浮子流量計發送到計算機。
根據功能的不同，設計8種通訊幀，其中下行幀5種，分別為電壓采集幀、寫配置參數幀、讀配置參數幀、寫產品標識幀和讀產品標識幀；上行幀3種，分別為電壓上傳幀、配置參數上傳幀和產品標識上傳幀。下行幀包括命令標志，上行幀省略命令標志。
1.1.2 外部參數設置
外部參數包括被測介質密度、顯示精度、顯示單位和滿量程流量，當測量介質為氣體時，還需設置工況溫度和工況壓力。外部參數可由用戶在使用過程中通過3個按鍵（功能鍵<F>、累加鍵<>和移動鍵<>）設置，因此，當管道中的測量介質和工況條件發生變化時，用戶通過改變其參數即可保證測量的精度，且顯示和輸出與當前的實際流量相對應。
通過內部參數與外部參數配合使用，實現了該儀表生產過程與使用過程的通用性。
1.2 硬件設計
硬件結構如圖2所示，浮子的位置變化通過擺桿變為角度變化后，由電容角位移傳感器轉換為電壓信號，微處理器通過內部集成的A/D轉換器將該信號變為數字量進行流量計算并累計，將計算結果送液晶顯示器顯示，并通過控制PWM輸出，將當前瞬時流量以4~20mA二線制方式遠傳；鍵盤用于外部參數設置；數字通訊接口與計算機連接進行內部參數設置。
1.2.1 電容角位移傳感器設計
根據浮子行程和擺桿長度，可確定最大轉角為3O゜，因此設計了如圖3所示的電容敏感元件，其測量角位移范圍O~45゜[2]，為了減少電場邊緣效應影響，實際使用中，電容敏感元件控制在5~35゜變化范圍。
電容測量電路基于充放電原理，該電路具有抗寄生電容、雜散電容等分布電容特性[3-4]。圖4為電容測量電路示意圖，Vc為充電電壓，開關K1、K2、K3、K4受時鐘脈沖控制。一個完整的測量過程包括充放電兩個周期：K1與K2導通，K3與K4關斷為充電狀態，將被測電容Cx 充電到Vc；K1與K2關斷。K3與K4導通為放電狀態，被測電容中的電荷由電荷檢測器檢出，輸出正比于被測電容的電壓信V0
V0=fRfCxVc （1）
1.2.2 輸出設備設計
輸出設備包括顯示輸出和模擬傳輸出部分。
雙排液晶作為顯示輸出設備，通過I2C總線接收微處理器發送的命令和數據，同時顯示瞬時流量和累計流量。
模擬遠傳模塊通過PWM脈寬調制完成。微處理器根據設置的滿度流量和計算的瞬時流量，調制輸出脈沖的占空比，通過濾波電路轉換為正比于瞬時流量的電壓值，并經過電壓/電流轉換接口電路，變成4~20mA電流信號實現遠傳。
1.3 軟件設計
軟件采用模塊化設計，按功能分為4部分：輸入、輸出、流量計算和數字通訊，各部分根據具體情況細分為多個模塊，完成相應功能，如圖5所示。
AD轉換器采集角位移傳感器輸出電壓信號，采集時間間隔為10ms，采集的電壓值經數字濾波后，用于流量計算；鍵盤處理模塊采用中斷方式，根據鍵值，實現表1所示功能。
表1 按鍵功能列表
<F> <> <> <F> 進入外部參數設置以及參數切換 <> 移位 <> 累計流量清零 循環累加
在計算模塊中，首先利用式（1）計算標定流量值，其次，根據內部參數，確定測量介質種類，采用相應的流量修正議程，計算出實際工況流量，最后對瞬時流量進行累計計算，并存儲于EEPROM。
2 整機調試
采用準確度為0.07%的水流量標準裝置對15mm 口徑的浮子流量計整機進行標定，該浮子量程為0.04~0.4m3/h，標定結果如表2所示。
基本誤差計算公式為：
（2）
式中：γ為相對誤差；Xf為浮子流量計測量值；Xs為標定點流量值；Xmax為浮子流量計最大測量值。
表2 15mm浮子流量計整機標定結果
標定點/m3·h-1 被校表/m3·h-1 基本誤差(%) 0.04 0.0419 0.475 0.05 0.0520 0.512 0.1 0.097 0.75 0.2 0.1984 0.4 0.3 0.3018 0.45 0.4 0.3985 0.375
該浮子流量計最大基本誤差為0.75%，滿足1級浮子流量計的要求。
3 結論
本文研制的金屬管浮子流量計具有較高的智能化水平，通過自主設計的角位移傳感器將浮子位置的變化轉換為反映角度變化的電信號，利用程序預設的數學模型進行流量計算，提高了計算精度，而且，無需根據被測介質的密度、工況條件和流量范圍進行逐臺設計制造，對于同一管道傳輸多種介質的情況，用戶可根據使用情況在線進行設置，給生產廠商和使用者帶來極大的方便。