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智能孔板流量计

在科学试验和工业生产过程中,经常会需要对液体、气体、蒸汽和流浆等物流的流麓进行测量和控制。在种类繁多的流量测量方法和设备中节流装置型流嚣计,应用十分广泛。所谓节流

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在科学试验和工业生产过程中,经常会需要对液体、气体、蒸汽和流浆等物流的流麓进行测量和控制。在种类繁多的流量测量方法和设备中节流装置型流嚣计,应用十分广泛。所谓节流装置就是在液体管道内放置一个元件,从而使流体经过它刖产生局部收缩,在元件前后产生压差,这个压差的人小能反应流超的多少。最常见的节流装置有三种,即孔板喷嘴和文丘管。以孔板为例,流体经过孔板时,压力和流速的变化示意在圈I中。
 
  根据流体力学的伯努利方程可以推导出容积流量瞬时值与压差的天系式为下:
 
  a一流量系数,它和节流装置的形式、取压方式、孔扳开口截面积与孔板截面积,
 
  比m,雷诺数Re等有关;
 
  e一束流膨胀系数,它与孔板两边压差△P和孔扳前压力P。之比邮P/P.,以及介质的等熵指数有关:而等熵指数又是流体温度、压力的函数,对j不可压缩的流体。常取e=l
 
  Ad…孔板开口截面积:
 
  AP--一fL板前后的压差:
 
  pt一孔板前的流体密度,与流体的成份、温度、压力等凼素有戈:
 
  显而易见?尽管流量M(或Q)和压差△P有严格的解析关系,但这种关系的系数还受温度、压力等因素的影响。因而实际应用中欲准确地测量到流体的流最瞬时值,除必须准确测量△P之外,还要准确地测量孔板前压力P,和流体温度t,,然后再进行必要的温度、压力补偿。目前,节流装置无论是孔板式的还是喷嘴式的都早已经标准化了。对于使用者只需根据现场的使用条件进行适当地选择就可以,
 
  2流量计的智能化
 
  21系统构成
 
  早期使用的孔板流量计,都采用模拟式的。这种仪表精度低、维护不便。微处理机技术的发展和产品性能价格比的不断提商,使之很快地应用到了流量的测量之中。图2是我们研制的
 
  智能式流量计的方框图。
 
  图中Pt、t。和△p分别起孔板前端压力、温度及孔板两端的压差,它们呵以是毫伏级小信号,电可以是变送器输出的电流信号(0~101I,A或4~20mA);A/D变换由7109担任,它是~个14位双积分式的数/模变换器,具有精度高(转换精度为0,0244%)、抗干扰能力强(噪声电
 
  平<15tlV,最人零点点漂移<luV/“C)等特^。
 
  8155是一块多功能外同支持芯片,它具有2,56×8位静态存储单元,二个可编程的8位I/0n、一个可编程的6位I/0口和一个可编程的14位二进制计数/定时器。A/D变换器7109输出的低8位接至8155的AI),商6位接到B口;B口还与7109的控制端相连,用以控制A/工作。
 
  8155上的定时器用来确定计算累积流量的时问问隔,该时间间隔可按削户要求在小键盘上漫定。累积流量是用简单乘法计算的,即流量瞬时值乘以时间间隔,就是该时间内的累积流量(A=M。T),因而时间间隔T应该取得尽量短,以保证在这段Ⅱ寸间内流量瞬时值的变化是可以忽略的。
 
  8155的并行端口还用以连接CPU和微型扣E¨机及D/A变换器,以给出流量瞬时值、累积值、压力、压差、温度、时间等硬拷贝数据和用于控制的模拟信号。8279芯片是一块可编程的键盘/显示控制器。小键盘的片j途t要是:在初始化时来设定参数,这些参数包括孔板尺寸、流量系数、束流膨胀系数、采样删问间隔、传感器或变送器的刻度系数以及PID控制参数等等。
 
  22应用软件
 
  测量和控制程序以及常系数(不变的)都被同化在即ROM中,而象时间、各种钡4量值、运算t{1间值和最终结果等都放丁R^M中,通常只用s155中的RAM就可以了。但如果计算流量的系数变化很多,例如在测量蒸汽流遗时,流量系数Q、柬流膨胀系数F等都和蒸汽状态有关。
 
  莅往要通过查表或计算求得。另外在至i求复杂的控制时,8i55的R州也刈‘能不够,此时可以另加一片RAM。
 
  系统运行程序示意在图3中,程序全部用汇编语言编制,运行十分快捷。
 
  系统上电后,可以自动启动也呵以手动肩动。启动后首先进入初始化程序,接着进行采集、,4/O转换以及计算(关】|计算问题将在卜面单独介缎)。计算完成后升巾断,因为在测量和计算过程中,中断是被关闭的。此后便进入到显示、打印(有定时打印和人f:随机打印两种)和等待程序。所谓等待是指计时是否到了所确定的时间间隔,比如,假设采样周期为lOs,如果还未到10s,则程序一直在循环输出D/A值并且判断105的周期是否到了;如果10s周期己到,则立即关中断,并进人下一次采样。
 
  系统的计算是采用一个四字节的计算子程序进行的,该子程序中每个数据都用四个字节(8bit)的浮点数来表示,其中尾数用三个字节(其中23位数值,一个符号位)阶码用一个字节(其中阶符一位.数字7位),显然精度是足够的。可以进行加减乘除和多种超越函数的计算(如三角函数、指数、对数、任意数的任意次幂……)逻辑运算以及数据类型的转换等。
 
  2.3关于中断。
 
  8155有较强的中断功能,它肯五级外部中断,共三种类型:
 
  (1)1NTR中断,是一般的中断,可以用EI和DI(开中、芙中)指令进行控制。INI’R指令使cPU读由外部设备放到数捌总线上的数值形成一条指令,指向八个闯定的内存地址,并按这些地址中的一个启动运行程序。
 
  (2)RST55,RST6.5,Rs【75是■个硬件中断,其中RSl75中断级别最高,65次之,5.5再次。RSTS.5,RST65是电平起作用,当这些输入端保持有高电平时处理就响应中断。RSll7.5输入端有上跳沿时,进入中断。这二个cp断使用非常方便。我们安排RST55的计时
 
  小键盘,RST6.5用丁清除累积流量值,.RST75用于响应8155的计时。(3)TRAP为自陷中断,是Hi可屏蔽中断,具有最高优先级,我们将之用于掉电保护。
 
  2.4关于数字滤波
 
  由f传感器或变送器输出的有用模拟信号经专线传输都会受到各种干扰,这些干扰信号有超低频的也有很高频率的。冈此用一般的硬件滤波器很难将之滤得干净,而采用数字滤波则很容易获得较为理想的效果。所谓数字滤波实质上就是一系列测量的结果进行必要的计算、比较和判断,保留下合乎要求的信号,舍弃T扰人的个别信号。通常情况下,由丁干扰信号多是随机的,且萨负相间,同此均值可能为零。在这种情况卜,崩多次测量求平均值的办法很容易将干扰所引起的误等降到所要求的水平。若在一系列测最中,由于突发因索引起某一个或儿个数据产生较大误差(比如人于三倍均方根误差,即大f3a),就可以将之视为极大误差而把它舍去,从而提高了测量精度。我们的程序L}I有算术平均值滤波,中值滤波和脉冲干扰滤渡等几种滤波方式可供选择。
 
  2.5关于D/A和控制
 
  在很多情况F要求对流量进行控制,采用了智能式流量计欲实现这一要求是很容易的。比较许多控制算法,我们认为在丁业领域P[D控制还是很成熟的。这种控制算法,只要合理地确定三个参数:K(比例系数)、T,(积分时间常数)和T。(微分时间常数),则不必求出被控制对象的数学模型,就可以实现对其的挡制。基本的PID分为位置型和增量型两种,这两种算法,刚户可以仟意选崩。众所周知?在实现PID控制时,采样时间T、k。、T。以及T。的选取:是特别重要的。使片j过仪表控制的单位,在l+产中-三经积累了丰富的经验,因此选定这些参数:孓是爪难的事情,但对J经验不多的单位呵圳采用凑试法域试验法逐渐解泱。
 
  3流量计的现场总线化
 
  工业生产过程自动控制经历r一个由分散到集中再到分散的过程:即五、六十年代的模拟控制是~种初级的分别对各二}二、业参数边行的简单控制,列实际存在_F:L业生产过程中的参数的复杂关系,无法实现解耦,因而控制精度很低;数字计算机直接应川f生产过程控制,解决了上述问题,但_}{j1台计算机实现集中控制,问题也很多。首先是危险十分集中,一旦计算机出毛病,则可能拿线瘫痪。其次连接传感器、计算机、执行机构要用大量的导线电缆。半导体技术的飞速发展以及微处.群机的出现.使计算机价格迅速降低,从而出现r集散型控制系统(DCS)一分散控制集中管理系统。近几年来现场总线技术又得到r较快地发展.它是一种完全分散地测控系统,传感器和拧制器部做成智能式的,传感器的输出信号均是数字式.它们可以连接到同一对总线上,进行远距离传输,具有极强的抗1=扰能力和节省人量布线开销。
 
  具肯现场总线特征的产品和系统很多,如Rs--485接u、BitBus总线、CAN总线、tfAI{T协议、ProtiBus和Lonwork……等等。U}i百,现场总线基金会(FF)己制定了现场总线技术标准。
 
  HART协议,保留了三型表中4~20mA的』:业标准信号。它允许在同一个回路上有数字和模拟信号同时传输而互不影响,因而使得由三型表变送器往现场总线过渡变得容易,所以}i^j『r协议得剑了广泛地麻用,在智能式变送器领域中占到了3/4左右。
 
  liARl-协议规定在4~20口1^模拟信号k餐加一个幅值只有十05mA的数字信号,数字…0用120011z表示.数字“1”用2200Hz表示(见图4)。数字信号在一个整周期内平均值为零,困咖E对直、褫的4~20mA模拟信号没有什么影响。眦RT的通讯协议也较1SO(国际标准化组织)

  所制定的OSI(开放系统互连协议)的模型简化』,许多,它只采用了Os【七层协议中的三层,即第一层物理层,第:?层连路层和第七层应用层。
 
  图5是采用It/犍T协议构成的智能式流最计方框图。除其输出部分(模拟4—20一并在其上叠有数字信号)外,其他与前面介9f{f}乇大体相同.此处不在赘述。
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