在石油、化工等生產過程中, 對管道內液體和氣體的流量進行測量和控制是實現生產過程自動化的重要組成部分。 渦街流量計具有量程寬, 無可動部件, 運行可靠, 維護簡單, 壓力損失小, 具有一定的計量精度等優點。[1] 特別是在很寬的范圍內, 它的測量與介質的密度、粘度等物性參數無關, 因而受到普遍歡迎。 本文介紹應用 MCS -51 單片機設計的智能渦街流量計, 對渦街流量計固有的非線性進行修正 , 并具有顯示、打印、檢測參數的種類以及數據處理等功能 , 從而拓寬了渦街流量計的應用范圍。
工作原理
渦街流量計是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計。即在流動的流體中放置一個非流線型的對稱形狀的物體(渦街流量傳感器中稱之為漩渦發生體), 就會在其下流兩側產生兩列有規律的漩渦即卡門渦街 , 其漩渦頻率正比于來流速度 :[2]
d — 漩渦發生體寬度 u — 來流速度 S t — 斯特勞哈爾數
當雷諾數 Re <2 ×10
4 情況下 , S t 為變數 :當 Re 在 2 ×10
4 ～ 7 ×10
6 的范圍內 , S t值基本上保持不變 , 這段范圍為流量計的基本測量范圍。
式(1)表明, 當 d 和St 為定值時 , 漩渦產生的頻率 F 與流體的平均流速u 成正比 , 利用這一特性制成了渦街流量計。由于渦街傳感器所測的并不是平均流速, 而大約是漩渦發生體兩側的流速。
[3] 對于湍流狀態 , 不同的雷諾數下, 流速分布規律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布 , 進而說明了渦街流量傳感器檢測到的主要反映漩渦發生體兩側的流速與管道平均流速的關系不是確定的。這說明渦街流量傳感器的非線性誤差是其檢測機理所決定的。在實際使用時, 先繪出傳感器的儀表系數與頻率的試驗曲線 f(F)。
式中 G(F)是同一口徑的各臺儀表相同的曲線形狀(僅是位移不同)。K 是平均儀表系數。在本文應用MCS -51 單片機的智能渦街流量計中 , 通過將試驗曲線形狀 G(F)事先固化于流量計的 EPROM 中,和讓用戶結合現場具體工況通過鍵盤輸入 K 的值,實現渦街傳感器的非線性修正。
硬件設計圖 1 是系統的硬件原理框圖。
圖 1 硬件原理框圖
根據設計要求 , 單片機應用系統[ 4] 包括:(1)接受變送器送來的與流量成正比的脈沖, 并對其定時、計數的電路;(2)顯示器, 鍵盤, 打印機接口電路;(3)外部存儲器的擴展電路;主要電路介紹如下:
1、鍵盤/顯示器及打印機接口:
為使接口硬件盡可能少 , 設計時 , 僅用一片 8155I/O 接口芯片完成智能化儀表的鍵盤輸入 , LED 輸出和打印機輸出的接口任務。將 8155 的 PC 口用作顯示自選通和鍵盤掃描輸出 , PB 口用作顯示字段及小數點的輸出 , 8031 外部中斷 INT0 用作鍵盤響應輸入 , PA 口用作外接打印機的輸出。如圖 2 所示。
圖 2 鍵盤/ 顯示器及打印機接口電路
(1)顯示器接口設計
設計 6 位 LED 顯示器作為儀表的顯示輸出。 8155 的 PB 口定義為輸出口, 其中低四位 PB0 ～ PB3 輸出顯示數據的 BCD 碼, 并經 74LS249 BCD 譯碼器譯碼后送 LED 的段碼端, PB4 作為測量結果的小數點位經驅動器后接 LED 的小數點發光段 ;PB5 作為極性控制位單獨控制一個發光二極管以顯示測量結果的正負。 8155 的 PC 口定義為輸出口 , PC0 ～ PC5 分別控制 6 位 LED 的位選通 , 實現動態掃描方式顯示。
(2)鍵盤接口設計
在圖 2 所示的鍵盤接口中, 由 6 個鍵組成鍵盤。 8031 用外部中斷 INT0 作為鍵盤狀態輸出。 在 6 個鍵中, 鍵。按下編程鍵后 , 進入編程狀態, 用戶輸入平均儀表系數。 選項鍵用來確定顯示那種流量表達方式(如體積流量 、質量流量等), 鍵盤的列掃描信號來自于 PC 口輸出的 LED 位選通信號:鍵盤的行輸入信號由鍵盤是否閉合得到。 沒鍵按下, 鍵狀態為開, INT0 位高電平, 中斷不被觸發 ;若有鍵按下, 鍵狀態為閉 , INT0 由高點平變為低電平, 中斷由信號下降沿觸發 , 從而向 CPU 發出中斷請求。CPU 響應中斷后讀取 PC 口的輸出狀態, 判斷 PC0 ～ PC5 輸出的低電平為即可完成鍵掃描和鍵識別。
(3)打印機接口設計
采用GP -16 通用智能微型打印機, 自帶 8039 單片機。 它可以把 8031 送來的數據以字符串、數據或圖形三種方式打印出來 ;它與儀表的接口設計如圖 2 所示, 它的8 根雙向三態數據線 D0 ～ D7 直接與8155 的 PA0 ～ PA7 相連, 片選信號 CS 與 8155 的片選信號公用單片機系統譯碼器輸出的端口地址 Y7 ,WR 和 RD 直接與 8031 的WR, RD 相連, 其硬件設計非常簡單。
2、外部存儲器的擴展:
(1)程序存儲器 EPROM 的擴展由于 8031 片內沒有 EPROM , 故 8031 單片機需要外擴一片 EPROM2764(8K 字節)。 在P0 口送出的低 8 位地址時 , 地址由信號 ALE 的下降沿控制鎖存到鎖存器中 , 高 5 位由 P2 .0～ P2 .4 提供 , 鎖存器采用 74LS373 鎖存器, 控制端直接與 ALE 相連。 則程序存儲器讀選通信號PSEN 控制EPROM2764 的輸出允許端OE 。
其中兩個鍵定義為“加一鍵” 和“減一鍵” 。 另外4 個鍵分別為打印鍵 , 編程鍵 , 選項鍵以及復位
(2)數據存儲器的擴展
MCS -51 單片機內 RAM 為 128 個字節, 因其容量不能滿足設計要求 , 故本機擴展 8K 字節靜態RAM6264 一片 。本機外擴展的RAM 和EPROM 電路如圖3 所示:
從圖中可以看出 EPROM2764 與 RAM6264 的地址范圍是相同的 , 但是它們的控制信號是不一樣的。2764 的選通信號是 PSEN , 而 6264 的讀入或寫入是靠RD 或WR 型號控制, 所以不會產生數據沖突問題。
軟件設計：
本機軟件采用模塊結構, 其 4 個主要部分分別如下。
1、主程序：
主程序為本儀器的監測程序。 在程序運行中 , 必須首先對系統進行初始化, 清各工作單元, 置計數器及標志位初值 , 自檢指示燈 , 開中斷, 啟動計數器等工作。儀器采用微型鍵盤和 LED 指示燈相配合 , 使儀器的各種功能清晰有序。
鍵盤子程序包括 :掃描鍵盤子程序。 其功能是尋找是否有鍵按下 , 輸入鍵值程序;鍵值掃描程序 ; 表驅動程序 ;通用顯示子程序等。鍵值掃描子程序的功能是根據按鍵的位置一行行的掃描。表驅動程序是判斷按鍵是哪種功能鍵。 通用顯示子程序的功能是將顯示緩沖區中的字碼轉換成段碼送入顯示器中, 顯示各種字型。 幾乎所有程序中都要用到這一程序 , 因此稱之為通用顯示子程序 , 以便與顯示功能塊相區別。
2、中斷服務程序：
儀器的測量、轉換等程序均通過中斷方式同主程序相連, 單片機內的兩個定時器計數器均作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要, 所以定時器 T0 被用來測評, 并定為中斷。 測量測頻中斷服務子程序流程圖如圖 4 所示。
3、功能塊程序：
儀器通過鍵盤輸入命令 , 可隨時得到用戶所需的結果, 這就要用到功能程序塊。 功能程序塊包括 : 顯示、打印、清零等功能塊。顯示功能塊的作用是根據用戶的需要轉入相應的入口參數 , 再經過碼之轉換, 送至顯示緩沖區中。 打印程序包括打印質量流量及體積流量、瞬時流量及累計流量。
4、使用計算子程序主要包括計算流量的程序：
采用的是浮點制運算子程序, 這些運算子程序可直接調用。
廠家價格：
| 價格 | ¥ 1158.00 -- ¥ 2480.00 |
| 起批量 | ≥1 臺 |
產品參數：
| 加工定制 | 是 | 品牌 | 華云 | 型號 | LUGB |
| 類型 | 渦街流量計 | 測量范圍 | 0.4-2300（m3/h）（m3/h） | 精度等級 | ±1%R，±1.5%R，±1FS |
| 公稱通徑 | 25~300（mm）（mm） | 適用介質 | 蒸汽、氣體、液體（水、油等） | 工作壓力 | 0~10（MPa）（MPa） |
| 工作溫度 | -40~350（℃） | 規格 | 普通款（具體規格詢問工程師）,升級款（具體規格詢問工程師） | |
渦街流量計特點：
◆結構簡單而牢固，無可動部件，可靠性高，長期運行十分可靠。
◆安裝簡單，維護十分方便。
◆檢測傳感器不直接接觸被測介質，性能穩定，壽命長。
◆輸出是與流量成正比的脈沖信號，無零點漂移，精度高。
◆測量范圍寬，量程比可達1:10。
◆壓力損失較小，運行費用低，更具節能意義。
◆在一定的雷諾數范圍內，輸出信號頻率不受流體物理性質和組分變化的影響，儀表系數僅與漩渦發生體的形狀和尺寸有關，測量流體體積流量時無需補償，調換配件后一般無需重新標定儀表系數。
◆應用范圍廣，蒸汽、氣體、液體的流量均可測量。
渦街流量計工作原理：
在測量管中垂直插入一個柱狀物時，流體通過柱狀物兩側就交替地產生有規則的旋渦（如下圖所示），這種旋渦列被稱為卡門渦街?？ㄩT渦街的釋放頻率與流體速度及柱狀物的寬度有關，可用下式表示：
f＝St·v/d
式中：f－卡門渦街的釋放頻率
St－系數（稱為斯特羅哈數）
v－流速
d－柱狀物的寬度
卡門渦街釋放頻率f和流速v成正比，因此通過測量卡門渦街釋放頻率就可算出瞬時流量。
斯特羅哈數是渦街流量計的重要系數。在曲數的St≈0.17的平直部分，旋渦的釋放頻率與流速成正比，所以檢出頻率f就可求得流速v，由v求出體積流量。
LU系列渦街流量傳感器得旋渦釋放頻率是由旋渦交替地作用于檢測傳感器（探頭）上地應力通過在它內部地壓電元件來檢出地。
渦街流量計產品選型
| 代號 | 通徑 | 流量范圍㎡/h |
| XY-LUGB-25 | DN25 | 1~10(液體) | 25~60（氣體） | 蒸汽流量請查看說明書，DN300以上使用插入式渦街流量計 |
| XY-LUGB-32 | DN32 | 1.5~18(液體) | 15~150（氣體） |
| XY-LUGB-40 | DN40 | 2.2~27(液體) | 22.6~150（氣體） |
| XY-LUGB-50 | DN50 | 4~55(液體) | 35~350（氣體） |
| XY-LUGB-80 | DN80 | 9~135(液體) | 90~900（氣體） |
| XY-LUGB-100 | DN100 | 14~200(液體) | 140~1400（氣體） |
| XY-LUGB-150 | DN150 | 32~480(液體) | 300~3000（氣體） |
| XY-LUGB-200 | DN200 | 56~800(液體) | 550~5500（氣體） |
| | 代號 | 功能1 |
| N | 無溫壓補償 |
| Y | 有溫壓補償 |
| | 代號 | 輸出型號 |
| F1 | 4-20mA輸出（二線制） |
| F2 | 4-20mA輸出（三線制） |
| F3 | RS485通訊接口 |
| | 代號 | 被測介質 |
| J1 | 液體 |
| J2 | 氣體 |
| J3 | 蒸汽 |
| | 代號 | 連接方式 |
| L1 | 法蘭卡裝式 |
| L2 | 法蘭連接式 |
| | 代號 | 功能2 |
| E1 | 1.0級 |
| E2 | 1.5級 |
| T1 | 常溫 |
| T2 | 高溫 |
| T3 | 蒸汽 |
| P1 | 1.6MPa |
| P2 | 2.5MPa |
| P3 | 4.0MPa |
| D1 | 內部3.6V供電 |
| D2 | DC24V供電 |
| B1 | 不銹鋼 |
| B2 | 碳鋼
|
結 論：
采用上述設計的智能化渦街流量計 , 可讓用戶完成了對渦街流量計非線性修正, 拓寬了渦街流量計的應用范圍。
