1 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，在很多情況下需要集中監(jiān)測(cè)多個(gè)流量點(diǎn)，如在石油注水開采過程中，為了保持開采效果、保護(hù)地下環(huán)境及隨后分析注水?dāng)?shù)據(jù)，需要對(duì)注水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在油田系統(tǒng)中逐漸使用智能儀表來計(jì)量油井的出油量。計(jì)量?jī)x表度的高低直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國(guó)的流量計(jì)起步晚，起點(diǎn)低，還比較落后。使用單片機(jī)開發(fā)的流量計(jì)作為二次儀表是非常適用的，對(duì)油田自動(dòng)化有很大的促進(jìn)。
2 系統(tǒng)原理
就整體結(jié)構(gòu)而言，流量計(jì)主要由渦街流量傳感器、前置放大器、計(jì)數(shù)顯示單元組成。渦街流量傳感器主要由漩渦發(fā)生體、漩渦頻率檢測(cè)器和殼體構(gòu)成，其作用是產(chǎn)生穩(wěn)定和強(qiáng)烈的漩渦，并檢出產(chǎn)生漩渦的頻率和輸出與漩渦頻率成正比的電信號(hào)。漩渦發(fā)生體是渦街流量計(jì)的重要元件，為了產(chǎn)生強(qiáng)烈和穩(wěn)定的渦街，并在較寬的管道雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有恒定的斯特勞哈爾數(shù)以保證儀表的線性輸出，漩渦發(fā)生體必須有一定的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸比例，這要通過實(shí)踐來確定。
就一般情況來說，由于檢測(cè)元件輸出的信號(hào)比較微弱且含有噪聲，所以各種檢測(cè)方式的前置放大器還應(yīng)包括放大、濾波、整形等部分，合起來也稱為一次儀表。
計(jì)數(shù)顯示單元也稱為流量計(jì)的二次儀表，一般由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成流量顯示儀表，它對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的記錄、存儲(chǔ)、計(jì)算和設(shè)置等功能。另外，還要控制液晶顯示器以顯示其測(cè)得的瞬時(shí)流量和總流量等信息。有的流量計(jì)為了與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還帶有通信接口，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
用單片機(jī)開發(fā)的儀表具有多種功能。由軟件調(diào)節(jié)非線性誤差的智能流量顯示儀是和各種脈沖輸出的一次流量測(cè)量?jī)x表相配套的二次儀表，具有如下特點(diǎn)：
●采用微處理技術(shù)，可靠性高；
●采用微功耗器件，耗電少，適合電池供電；
●可同時(shí)顯示累積流量和瞬時(shí)流量；
●采用智能多段流量軟件補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量精度高；
●可以存儲(chǔ)流量。
它的技術(shù)性能如下所述。
輸入信號(hào)是一次儀表的頻率輸入信號(hào)，與流量傳感器相接，經(jīng)檢測(cè)、放大后得到被測(cè)介質(zhì)的流量，信號(hào)頻率為0mhz～1 000hz的脈沖信號(hào)。傳感器連接電纜的長(zhǎng)度小于1 000m，導(dǎo)線電容小于0．1μf，電感小于10mh，智能流量顯示儀（二次儀表）放在計(jì)量間里，個(gè)計(jì)量間可容納30臺(tái)顯示儀。
輸出信號(hào)有2種：累積流量顯示是8位浮點(diǎn)式，開始顯示小數(shù)點(diǎn)后5位（0.000 00m3），zui后顯示小數(shù)點(diǎn)后3位（0 000．000m3），表示儀表開始工作后的累計(jì)流量；瞬時(shí)流量顯示是4位浮點(diǎn)式，開始顯示小數(shù)點(diǎn)后2位（00．00m3），zui后顯示小數(shù)點(diǎn)后1位（000．om3），表示當(dāng)前的瞬時(shí)流量。
抗干擾：lokw～17kw電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示不變化。
準(zhǔn)確度：無(wú)修正時(shí)為3％左右，修正后為±0．01％。
流量修正范圍：在全流程范圍內(nèi)8段進(jìn)行補(bǔ)償修正。
設(shè)置累積流量的補(bǔ)償系數(shù)位：zui多8位整數(shù)。
電源：4v～5v直流。
總耗電：<1．0mw。
帶lb欠壓指示。
環(huán)境溫度范圍：-20℃～70℃。
相對(duì)濕度：<85％。
隔爆型外殼。
3 硬件組成
硬件中的核心是atmel公司生產(chǎn)的at89c51/lv51型單片機(jī)，它是低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)有1個(gè)4k字節(jié)的flash可編程和可擦除只讀存儲(chǔ)器，采用cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，其輸出引腳和指令系統(tǒng)與msc-5l型單片機(jī)兼容。
存儲(chǔ)流量用的存儲(chǔ)器是atmel公司的at24c16系列，它是帶有2k字節(jié)flash的可電擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器。單片機(jī)的。rxd口和txd口分別與它的sci．和sda相連，進(jìn)行讀寫操作。
測(cè)量時(shí)，用1個(gè)1s的硬件復(fù)位電路接到。re-set端，使單片機(jī)定時(shí)復(fù)位。單片機(jī)以省電模式工作，每次輸入、累計(jì)、顯示處理后等待喚醒，工作功耗非常小。設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，復(fù)位腳正常連接。
輸入脈沖通過分頻和74hc393鎖存后，送入單片機(jī)的p2口。在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過程序處理后，輸出顯示信號(hào)送到p1口（數(shù)據(jù)4位，選擇信號(hào)4位）。數(shù)據(jù)中有4位送入mc14543（bcd鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)動(dòng)器）中，共有12個(gè)mc14543，分別控制與累計(jì)流量8位及瞬時(shí)流量4位相連的液晶塊的顯示數(shù)據(jù)，4位選擇信號(hào)送到cd4514型譯碼器（4位鎖存，4-16線譯碼器），選擇接收數(shù)據(jù)的mc14543型電路和浮動(dòng)顯示的小數(shù)點(diǎn)位。
硬件分為二部分：控制部分對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行處理，得到累積流量和瞬時(shí)流量的顯示數(shù)據(jù)，如圖1所示；顯示部分將顯示數(shù)據(jù)送到液晶顯示屏，如圖2所示。這二部分通過10針的插座j1相連。
4 軟件設(shè)計(jì)
主程序框圖如圖3所示。
5 使用效果與改進(jìn)
本智能流量顯示儀用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量已有5年多時(shí)間，運(yùn)行可靠，測(cè)量準(zhǔn)確，性價(jià)比非常高，易于功能擴(kuò)展?，F(xiàn)已加入流量報(bào)警和控制流量大小等功能。當(dāng)流量超過設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，能發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；當(dāng)設(shè)定流量控制參數(shù)后，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量大小。該儀表也可以結(jié)合工業(yè)組態(tài)軟件mcgs或組態(tài)王，作為下位機(jī)收集流量數(shù)據(jù)，送給組態(tài)服務(wù)器進(jìn)行處理。