导读：涡轮流量计智能积算仪的设计解决方案

涡轮流量传感器具有测量准确、测量范围宽、 技术成熟等优点，被广泛应用于工业生产中的流 量测量。涡轮流量计智能积算仪是用来处理和显 示涡轮流量传感器发送的脉冲信号，它能够把测 量的流速等信息直接显示并转化成数字信号远传。 当前，涡轮流量传感器的测量精度已经能够达到 较高的水准，智能积算仪部分也在逐步实现智能化和信息化。涡轮流量仪表也需要添加智能信息 处理单元部分，使生产过程的监控和检测更加便 捷、高效和人性化。

1.功能设计

本文研究了涡轮流量计智能积算仪，系统以 MSP430F149单片机作为核心处理器， 能够通过液晶显示屏实时显示流速，使用基于可 寻址远程传感器高速通道的开放通信协议进行数 据传输，系统断电时数据能够瞬间保存，工作电 压过低能够触发报警，采用4mA~20mA模拟电流 输出表示流量的大小，用户通过按键可置入仪表 系数。通过合理科学的硬件设计以及软件编程， 实现了涡轮流量计智能积算仪的多功能化和低功 耗化。

2.硬件设计

2.1电源供电系统

系统有两个互不干扰的供电电路。一个是使 用3.6V电压电池进行供电，另外一个是外接直流 24V电源供电。当系统不需要进行数据通讯并且 不需要4~20mA模拟电流输出的时候，整个智能 积算仪能够仅仅在3.6V电压电池的供电下持续工 作三年以上。反之，可以使用外接直流的24V电 源供电，通过AD421芯片进行电压转换，同时它 能够将数字信号十分精确的转换成相应的模拟电 流信号，产生4~20mA电流输出。电路原理图如 图1所示。

2.2通讯系统

根据可寻址远程传感器高速通道的开放通信 协议，通讯系统用AMI公司生产的A5191芯片完成HART通讯。HART通讯是一种基于FSK频移 键控技术的通讯方式，在模拟电流信号的基础上 叠加不同的频率信号，用频率1 200Hz代表数字 “1”，频率2 200Hz代表数字“0”。通讯方式外围 电路原理图如图2所示。

2.3显示系统

系统显示模块选用点阵式液晶DCG13232， 电路如图3所示。它能够显示各种汉字和图形， 能够选择工作在串行模式或者并行模式，内置了ST7565R控制器，能够开启或者关闭蓝色背光。 正常电压为3V?3.6V，无背光时它的工作电流为 140|xA，打开背光后的工作电流为92mA。

2.4断电保护及低电压报警系统

系统断电保护电路与低电压报警电路如图4、 图5所示。选用了 IMP809R实现系统断电之后的 数据保护功能，当电压低于2.63 V，它能够产生 —个脉冲信号，并能短时间维持这个电压，让单片机进行数据保存。用IMP809S实现电池电量不 足时的低电压的报警功能，跳变电压为2.93V, 当它的供电电压低于2.93V时，产生一个持续的 脉冲给单片机，单片机检测到后即可让低电压报 警灯亮起。

3.程序设计

系统主程序采用瀑布式结构化程序设计方 法，程序中主要的功能函数为初始化程序、实 时显示流量数据程序、通讯程序以及其他的一 些功能程序。

智能积算仪上电之后，对单片机的各个模块 进行初始化，其中包括系统时钟的配置，判断是 否写入过仪表系数，看门狗的设置，ROM存储器 中数据的读取，用于液晶显示的IO 口的程序， UART通讯模块的初始等。初始化完成后设置各 个中断源，开启外部中断、通讯中断、定时器中 断等，屏蔽一切不需要的中断资源，设置单片机 内置的定时器，每间隔2s产生一次中断。主程序 设计流程图与程序初始化流程图见图6、图7。

完成初始化后程序进入主循环程序，进行涡轮 流量传感器的脉冲处理，经过和仪表系数的线性比 对，计算出当前的瞬时流量，并通过对时间的累 积。系统整体处理事件都是基于中断，在电池供电 的情况下将电路的能耗降到最低水平。使用定时/比 较器对涡轮流量传感器传送的脉冲进行捕捉，使用 单片机内设置的定时器每间隔2 s进行一次计数，对所有前2s的收到的脉冲数进行处理，计算出瞬 时流量和累积流量并显示在液晶屏幕上。显示 菜单默认显示实时的瞬时流量和累积流量，菜单 按钮按下后切换到仪表系数植入界面，可以通过参 数置入按钮改变仪表系数，这样能够使涡轮流量 计智能积算仪适用于不同的涡轮流量传感器。

HART通讯程序的计算机显示程序由VB语 言编写，其人机交互界面如图8所示。每隔1s上 位机软件就会向下位机智能仪表请求一次数据， 接收到后立即刷新界面数据，通讯采用串口方式， 速率为1 200bps。下位机涡轮流量计智能积算仪 的通讯由单片机的通用串行异步收发器完成，当 通讯口检测到线路上有对应的电平变化时，会进 入通讯中断程序，把接收到的数据进行存储，当 数据传输完毕后，A5191芯片会产生一个脉冲， 是单片机进入外部中断执行命令分析任务。图9 为智能积算仪的通讯程序流程图。

4.结论

本文设计了涡轮流量计智能积算仪，以 MSP430单片机作为处理器，可用3.6V电池供 电，也可用24V电源供电，采用HART通讯协 议与电脑进行数据交换，系统能够实时显示瞬时 流量和累积流量，具有断电数据自动保存和工作 电压过低报警设计，4mA~20mA模拟电流输出功 能，使用按键设置仪表系数，超低功耗设计以及本安防爆设计。仪器功能强大，具有广阔的应用 前景。

1、涡轮流量传感器的工作原理：

 涡轮流量传感器的原理示意图如图 1所示。在管道中心安放一个涡轮, 两端由轴承支撑. 当流体通过管道时, 冲击涡轮叶片 , 对涡轮产生驱动力矩 , 使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。 在一定的流量范围内 , 对一定的流体介质粘度 , 涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。 由此, 流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到 , 从而可以计算得到通过管道的流体流量。

图 1  涡轮流量传感器原理示意图

  涡轮的旋转角速度是通过装在机壳外的传感线圈来检测。 当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时 , 就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器 , 对信号进行放大、整形 , 产生与流速成正比的脉冲信号 , 送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值;同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路 , 将脉冲信号转换成模拟电流量, 进而指示瞬时流量值。 图 2为涡轮流量计总体原理框图。

图 2  涡轮流量计总体原理框图

2、涡轮流量传感器的检定及现实问题：

2. 1、涡轮流量传感器的检定方法：

 液体涡轮流量传感器用水流量标准装置进行检定, 装置的准确度为 0. 1级。 图 3为涡轮流量传感器检定示意图。

图 3  涡轮流量计检定示意图

1. 控制阀门;2. 涡轮流量传感器; 3. 电磁流量计, 显示瞬时流量;4. 流量调节阀门;

5. 换向器;6. 工作量器

  当流体流过涡轮传感器时 , 传感器内的叶轮转动, 脉冲转换器将叶轮的转动转换为电脉冲 , 送入检定装置的脉冲计数器中。装置的脉冲计数器与换向器同步, 它只记录换向器将流体换入工作量器时的脉冲数。 在检定过程完成后, 读取脉冲计数器的脉冲数及工作量器的实际体积值求得每个检定点每次检定的仪表系数。 依据规程 JJG198 - 94《速度式流量计检定规程》,每个检定点检定三次 , 依次得出各次检定所得的仪表系数计算出该流量点的平均仪表系数, 从而得出该流量传感器在一定流量范围内的平均仪表系数。

2. 2、检定过程中存在的问题：

 正常工作时 , 涡轮流量传感器的叶轮高速转动 , 脉冲转换器为了有效地捕捉到每一个叶片的转动 , 其内部的传感线圈和前置放大器的灵敏度做得很高 , 很容易受到周围电磁场的干扰而产生额外的干扰脉冲 , 干扰脉冲与正常脉冲叠加在一起传送至脉冲计数器, 从而影响其计量准确性。

  故在安装涡轮流量传感器时, 要求做好接地, 但是在实际检定时 , 仅仅做接地处理往往还达不到消除干扰的目的 , 主要原因是检定装置附近, 往往有大功率的用电设备 , 如水泵电机、风扇、电子镇流器的日光灯等等 , 都会释放出干扰电磁波, 特别是现在普遍采用变频器驱动流体泵对流体源进行调压稳压, 变频器产生的高次谐波对电源的污染相当严重 , 像涡轮流量计这类高灵敏度的设备必然受到干扰。

 涡轮流量传感器在检定过程中如果受到干扰 , 检定结果一般有以下特点 :一是得到的仪表系数比正常值要大许多 , 这是因为叠加了干扰脉冲, 在一次检定中脉冲计数器接收到的脉冲数比正常值多了 ; 另一个特点是重复性很差 , 往往 0. 5级的涡轮流量传感器 , 检定出其重复性达到 2%甚至更大, 这是因为干扰的随机性 , 每一次的干扰程度都不一样 ;还有就是在量程范围内线性度较差。 表 1为检定一个型号为 LWGY - 80的涡轮流量传感器 , 在受到干扰的情况下得到的数据