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智能化渦街流量計測量系統(tǒng)

韓麗 王式民 歸柯庭
東南大學動力工程系（南京210096）
 

　　摘 要 介紹一種通過鍵盤輸入系數(shù)修正渦街流量計非線性的方法。用MCS-51單片機進行數(shù)據(jù)處理和檢測,，并討論在以8031單片機為微處理器的智能化儀表中采用一片8155實現(xiàn)智能儀表鍵盤/顯示器及打印機接口的zui小化硬件設計技術。
　　主題詞 渦街 流量 非線性修正 zui小化硬件接口
　　Abstract A method of modifying the nonlinearity of vortex-shedding meter by keying in factors is introduced. Monolithic processor MCS-51 can be used for data processingdetectingone-chip processor 8155 can be applied to inligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/displayprinter.
　　Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface

前　　言

　　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(xiàn)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(yōu)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(shù)無關，因而受到普遍歡迎,。本文介紹應用MCS一51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(shù)的種類以及數(shù)據(jù)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(fā)生體），就會在其下流兩側產生兩列有規(guī)律的漩渦即卡門渦街,，其漩渦頻率正比于來流速度：^[2]
　　　　　　　　　　　　　　　　F＝S_tu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）
式中 F—渦街頻率
　　 d—漩渦發(fā)生體寬度
　　 u—來流速度
　　 S_t—斯特勞哈爾數(shù)
　　St的值與漩渦發(fā)生體寬度d和雷諾數(shù)Re有關,。當雷諾數(shù)Re＜2×10⁴情況下,，St為變數(shù)：當Re在2×10⁴～7×10⁶的范圍內,，St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(fā)生體兩側的流速,。^[3]對于湍流狀態(tài),，不同的雷諾數(shù)下，流速分布規(guī)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(fā)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(shù)與頻率的試驗曲線f (F)。
　　　　　　　　　　　　　　K= f (F)=KG（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(shù)。在本文應用MCS一51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(xiàn)場具體工況通過鍵盤輸入K的值，實現(xiàn)渦街傳感器的非線性修正,。

硬件設計

　　圖1是系統(tǒng)的硬件原理框圖,。

圖1　硬件原理框圖

　　根據(jù)設計要求，單片機應用系統(tǒng)^[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(shù)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^[5]

　　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(shù)點的輸出，8031外部中斷INTO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(shù)據(jù)的BCD碼，并經(jīng)74LS249 BCD譯碼器譯碼后送LED的段碼端,，PB4作為測量結果的小數(shù)點位經(jīng)驅動器后接LED的小數(shù)點發(fā)光段,；PB5作為極性控制位單獨控制一個發(fā)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(xiàn)動態(tài)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INTO作為鍵盤狀態(tài)輸出。在6個鍵中,，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,，選項鍵以及復位鍵,。按下編程鍵后，進入編程狀態(tài),，用戶輸入平均儀表系數(shù),。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(tài)為開,，INTO位高電平,，中斷不被觸發(fā)；若有鍵按下,，鍵狀態(tài)為閉,，INTO由高點平變?yōu)榈碗娖剑袛嘤尚盘栂陆笛赜|發(fā),，從而向CPU發(fā)出中斷請求,。CPU響應中斷后讀取PC口的輸出狀態(tài)，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一16通用智能微型打印機,，自帶8039單片機,。它可以把8031送來的數(shù)據(jù)以字符串、數(shù)據(jù)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(tài)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jié)）,。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,。

　　（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展

　　MCS一51單片機內RAM為128個字節(jié),，因其容量不能滿足設計要求，故本機擴展8K字節(jié)靜態(tài)RAM6264一片,。本機外擴展的RAM和EPROM電路如圖3所示：

圖3 外部存儲器擴展

　　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(shù)據(jù)沖突問題。

軟件設計^[6]

　　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(jiān)測程序。在程序運行中,，必須首先對系統(tǒng)進行初始化,，清各工作單元，置計數(shù)器及標志位初值,，自檢指示燈,，開中斷，啟動計數(shù)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(jù)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(qū)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(qū)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(shù)器作為閘門使用。因為流量頻率的測量很重要,，所以定時器TO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(jù)用戶的需要轉入相應的入口參數(shù),，再經(jīng)過碼之轉換，送至顯示緩沖區(qū)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,。

結　　論

　　采用上述設計的智能化渦街流量計，可讓用戶結合現(xiàn)場具體工況,，通過鍵盤方便地輸入校正系數(shù),，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,。

圖4 TO的中斷子程序框圖

參 考 文 獻

1 戴昌輝 流體流動測量 北京：航空工業(yè)出版社,，1991
2 *祥 流量儀表原理和應用 南京：華東華工學院出版社，1992
3 王超等 高精度智能化渦街流量變送器的研究 儀器儀表學報,，2000,，8
4 徐愛鈞 智能化測量控制儀表原理與設計 北京：北京航空航天大學出版社,，1995
5 駱德漢 智能化儀表鍵盤/顯示器設計技術 自動化與儀表，1990,，3
6 何立民 單片機應用文集 北京：北京航空航天大學出版社,，1991