新型科里奥利质量流量计量表的软件设计

发布：2019-02-22 | 点击：人次

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本文详细阐述了测量流体流速、密度、流量的一种新型科里奥利质量流量计软件部分的设计与实现。并对关键技术（密度、流量公式）及难点（浮点数至ECD码的转换）做了具体说明。

前言

科里奥利质量流量计，是一种利用流体渡过振动的管道时所受到的得里奥利力与流体质量成正比的原理制成的直接式高精度自动化仪表。它广泛应用于过程工业领域中，如油品、化工、医药，食品等介质的测量，得里奥利质量流量计和其它计量产品相比有三个优点：（a）不需要压力的修正；（b）集测量流量、温度、密度于一体；（c）内部无可动部件，所以即使介质的润滑性能差，读数也不受影响。为了提高科里奥利质量流量计的测量精度，我们利用PLD器件开发了新一代U形双管式科式质量流量计，对由检测管所获得的两路信号以及温度信号采用计数方法进行处理。这种方法实现的系统与同类产品相比具有体积小、功耗低、功能强、精度高、适应性强等特点，本文主要介绍了这种新型科氏质量流量计的系统结构，软硬件的实现及关键技术和难点。

典型的CMF的传感器的主要部分是流量管，驱动线圈探测器和测量温度的热敏电阻。其中流量管有U型，直管型等形状。我们采用了U型双管式。流量管以固有频率振动，当流体通过固有频率振动的传感器时，就产生了科氏力。位于流量管的进流侧和出流侧的两个检测器，可检测出两路频率相同，但有相位差的振动信号。其相位差同瞬时流量成正比。当流量增大时，两个检测器的信号时间差（等效于相位差）就增大。振动信号周期与流体密度密切相关，流体密度愈大，振动周期愈大。因此通过对这两路信号的相位差及周期进行处理，可以得到流体的流速及密度。整个利用PLD技术的科理奥利质量流量计系统结构如图1所示。

原始的相位差、周期、温度等信号需要经过数字化后才可进行进一步处理。由检测管产生的两路有相位差的正弦信号通过模拟部分的处理生成两路同周期、有相位差的方波信号，连同温度传感器产生的温度信号送至数据采集单元。在这里，它们被数字化采样，而后进行帧编码再存储于FIFO中。

单片机负责对数据进行处理，而PLD模块负责整个系统的同步和各种控制信号的产生。系统测量流量的同时，通过测量振动管的固有频率，计算出管道内流动介质的密度，并显示。系统采用字符点阵LCD显示器，用于显示瞬时流量、介质密度、时间、介质温度等参数。当系统意外掉电时，利用看门狗及时通知单片机，迅速保存系统参数至EEPROM中，以便于下次启动时原来所测历史数据能够被充分利用。系统可以与主机进行串行异步通信，随时将数据传输给PC主机。

软件设计部分

系统的软件设计采用模块化结构，由主程序、子程序（含中断服务程序）组成。

其中，系统初始化完成关中断，设置串行通信波特率，液晶显示屏清零，并显示必要的提示用户的字符（如LIULIANG，US等）。针对用户的需求，功能按键往往不止一个，这样，需扩展中断源，在按键中服务程序中，首先判断具体是哪个按键引起的中断，然后进入相应的服务程序。在FIFO中断服务程序中，首先将FIFO中的帧数据取出，然后存储于相应的RAM地址单元。当程序从FIFO中断服务程序中返回后，对帧解码后的数据进行处理，主要包括按照密度公式和流速公式，由相位、周期、温度数据求出流体的密度，和在一定时间段流体的质量。与主机串行通信部分，其中的通信波特率，奇偶校验通过Kermite协议完成。传送给PC主机的数据有：系统时间、瞬时流量、密度、温度等参数。在PC主机中，可以利用其强大的硬件功能和良好的人机界面，进行数据计算处理，并可以存入数据库，进行数据查询和报表打印，系统可以接收主机发来的温度校正参数和其它指令。

子程序主要完成辅助的功能，有LCD显示子程序、二进制到BCD码、BCD到二进制转换子程序、整数平均值计算、浮点数计算、无符号数平均值计算等。

关键技术

科氏质量流量计的关键技术是：

①科氏质量流量计的质量流量测量和密度参数都与流量管的振动有关，所以流量管的任何特性变化，例如因流体温度或环境温度变化而改变流量管材料的杨氏模量和产生零飘，都将影响测量精度。当流体温度发生变化时，进流侧和出流侧的探测器输出的信号频率也发生变化。如果温度升高，将使流量管的振动频率降低。把装在流量管上的热敏电阻测量的温度输入到单片机中，来修正温度变化所造成的影响。

具体来说，流量管的振动频率，与管子形状、材料、端面约束情况有关，同时还与管内介质的密度有关。早期国外的有关厂家采用zui小二乘法进行线性拟合得到密度P与振动周期T的数学关系式。

②另外，在数据显示部分运算中，由于系统精度的要求，数据显示要精确到小数点后三位，而浮点数式zui后的计算结果是无法直接显示的，需要将它转换成十进制小数数据。通过三个步骤将三字节浮点数转换成压缩BCD码，首先将浮点数除去符号后的数值部分通过连续的乘10或除10操作（浮点数运算），将浮点数转换到0～65535之间，然后将浮点数转换成双字节无符号数，zui后将双字节无符号数转换成十进制数，转换后的三字节压缩BCD码存放在单片机连续的地址寄存单元中。乘10或除10的次数可以来确定小数点的位置。数据的正或负在转换开始时可方便的通过检测数符来确定，存放于位地址中。

结束语

本仪器具有实时测量流体流速、密度、流量的功能。在其数字部分中，使用了PLD器件，大大提高了系统的集成度，减小了系统硬件体积，降低了系统功耗，也便于仪器的调试以及以后功能的改进。由于集成度的提高，也大大增加了系统的可靠性。

不足之处是有一定局限性，不适宜测量小相位差，以及容易受噪声的干扰。

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