摘 要：設(shè)計(jì)了采用質(zhì)量流量計(jì)的紙槳測(cè)量系統(tǒng)。介紹了該測(cè)量系統(tǒng)的原理、硬件組成及程序設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了硬件中的MC146818主板時(shí)鐘電路、積算器和各個(gè)接口與主控單片機(jī)的連接以及誤差處理方法。并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有高精度和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)

關(guān)鍵字：質(zhì)量流量計(jì) 單片機(jī) 傳感器 積算器

    0 引言

    在自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程流量的測(cè)量技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步。但對(duì)多相流體的測(cè)量及控制仍然是一個(gè)研究的重點(diǎn)。大多數(shù)場(chǎng)合，對(duì)多相流體的測(cè)量目的是希望獲得各分相物質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，特別是兩相流體中各分相質(zhì)量流量的檢測(cè)計(jì)量更是研究的熱點(diǎn)。作者選擇了紙漿的液固兩相流體作為研究對(duì)象，研發(fā)了紙漿質(zhì)量流量計(jì)。流量計(jì)是間接式質(zhì)量流量計(jì)，是利用測(cè)量液固兩相流體的體積流量與固相的密度，間接計(jì)算出該固相的質(zhì)量流量。該方法易于實(shí)現(xiàn)且測(cè)量精度較高。

    1 質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

    質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個(gè)變送器與質(zhì)量流量積算器均采用MSC251系列單片機(jī)構(gòu)成。變送器輸出的信號(hào)直接送到質(zhì)量流量積算器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    2 質(zhì)量流量積算器系統(tǒng)

    2.1 測(cè)量原理

    質(zhì)量流量積算器是利用輸入的體積流量L與紙漿中固相的密度C進(jìn)行計(jì)算處理而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。其瞬時(shí)質(zhì)量流量測(cè)量方程為

    q=k₁k₂CL

    式中：L為體積流量，m³/h；

    C為紙漿密度，kg/dm³；

    k₁為紙漿密度、打漿度等特征的修正參數(shù)；

    k₂為質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差修正參數(shù)。累計(jì)質(zhì)量流量的計(jì)量方程為

    式中：q_i為第i秒時(shí)采樣的瞬時(shí)流量平均值，kg/s；

    Δ_t為累計(jì)的時(shí)間間隔，常取1s。

    單片機(jī)根據(jù)不同輸入信號(hào)的上下限、修正值，按不同的算法進(jìn)行高精度的運(yùn)算。

    2.2 質(zhì)量流量積算器的硬件結(jié)構(gòu)

    質(zhì)量流量積算器是以MCS251系列的單片機(jī)為核心的智能系統(tǒng)，其硬件由兩大部分組成，如圖2所示。圖2詳細(xì)給出了MC146818時(shí)鐘電路與MCS251系列的單片機(jī)的接口，以及微型面板式打印機(jī)和MCS251系列的單片機(jī)的接口連接圖。

    2.2.1 主板電路

    MCS251系列的單片機(jī)、打印機(jī)接口、I/V變換、串行通信接口以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等構(gòu)成主板。I/V將體積流量和密度的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送10位A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換分辨率為1‰。MCS251系列的單片機(jī)的CPU對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、計(jì)算處理，最后送LED顯示和打印輸出。

    主板上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路MC146818使用獨(dú)立的晶振電路，頻率為4.194Hz，進(jìn)一步提高累計(jì)流量的準(zhǔn)確度。同時(shí)，當(dāng)電源掉電時(shí)，備用電池使時(shí)鐘電路連續(xù)工作，當(dāng)電源重新上電時(shí)，時(shí)鐘不受任何影響，能打印出掉電時(shí)的時(shí)間和重新上電的時(shí)間。而且由于MCS251系列的單片機(jī)的小系統(tǒng)中使用了E²PROM芯片，當(dāng)系統(tǒng)重新上電時(shí)，可打印出掉電時(shí)的相關(guān)信息。完全不用人工干預(yù)處理，系統(tǒng)均能連續(xù)工作且具有智能化。

    為了滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)信息管理的需要，該機(jī)設(shè)有串行通信輸入、輸出接口，可直接與變送器通信，供集中控制和管理。

    2.2.2 鍵盤(pán)、顯示接口電路

    鍵盤(pán)、顯示接口與MCS251系列的單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示；MCS251系列的單片機(jī)用中斷方式響應(yīng)鍵盤(pán)輸入，以提高人-機(jī)對(duì)話(huà)的可靠性。使用鍵盤(pán)可隨時(shí)修改參數(shù)，如變送器的量程范圍、上下限值、修正系數(shù)等，系統(tǒng)使用起來(lái)更加靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)。

    該系統(tǒng)設(shè)定了8位LED顯示，用以顯示瞬時(shí)體積流量、流體密度、瞬時(shí)質(zhì)量流量、累計(jì)質(zhì)量流量等。

    2.3 質(zhì)量流量積算器的軟件設(shè)計(jì)

    軟件采用程序調(diào)用的方法。主程序及各子程序的功能相互獨(dú)立，在執(zhí)行過(guò)程中通過(guò)調(diào)用子程序的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，這樣的結(jié)構(gòu)成為可讀性很強(qiáng)的用戶(hù)軟件，其主程序流程圖如圖3所示。

    2.3.1 采樣、濾波、計(jì)量子程序的設(shè)計(jì)

    由于紙漿流量、密度均是緩慢變化的低頻信號(hào)，因此經(jīng)A/D采樣獲得的信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生突變。為提高數(shù)據(jù)的可信度，采用多次采樣，去大除小并求平均的數(shù)據(jù)處理方法，以獲得更準(zhǔn)確的值。輸入的紙漿流量和密度信號(hào)的范圍可用鍵盤(pán)任意設(shè)定，起點(diǎn)一般不為0，這樣限定了工作區(qū)段，提高了分辨率，也提高了計(jì)量精度。積算器輸入信號(hào)類(lèi)別及信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)也可任意設(shè)定，所以系統(tǒng)的標(biāo)度變換也不同。為了解決不同設(shè)定值的標(biāo)度變換，采用了設(shè)標(biāo)志字、狀態(tài)字的方法自動(dòng)識(shí)別信號(hào)的量限、類(lèi)別、標(biāo)準(zhǔn)以及即時(shí)狀態(tài)，進(jìn)入不同輸入信號(hào)下各異的標(biāo)度變換子程序進(jìn)行處理，獲得正確的質(zhì)量流量值。

    2.3.2 打印驅(qū)動(dòng)子程序的設(shè)計(jì)

    紙漿質(zhì)量流量計(jì)主要用于制漿造紙廠(chǎng)的純纖維量的自動(dòng)計(jì)量，系統(tǒng)除顯示瞬時(shí)流量值供監(jiān)督控制外，還需打印輸出累計(jì)量供生產(chǎn)管理用。因此該程序還設(shè)計(jì)了報(bào)表式打印輸出，每小時(shí)定時(shí)打印1h內(nèi)的質(zhì)量流量，8h后打印1個(gè)班的質(zhì)量流量，月末打印全月的流量，年底則自動(dòng)打印全年流量。

    2.3.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的使用及掉電信息處理的子程序的設(shè)計(jì)

    實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路MC146818用總線(xiàn)方式直接與MCS251系列的單片機(jī)連接，其接口地址設(shè)為4000H。時(shí)鐘電路編程初始化后即可連續(xù)工作。電路每隔1s產(chǎn)生1次中斷，程序自動(dòng)進(jìn)行1次流量累計(jì)。電路采用了1s基準(zhǔn)值，進(jìn)而提高了累計(jì)流量的計(jì)量精度。時(shí)鐘電路還裝有備用電池，防止掉電的影響。

    機(jī)內(nèi)采用了E²PROM芯片2816，用來(lái)存放掉電時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，每隔一定時(shí)間將系統(tǒng)計(jì)量的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，存放在芯片2816中，刷新頻率可據(jù)計(jì)量要求自由設(shè)定。當(dāng)系統(tǒng)由停電轉(zhuǎn)入上電狀態(tài)時(shí)，程序自動(dòng)讀出芯片2816中的有關(guān)內(nèi)容，自動(dòng)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自診斷、自適應(yīng)的功能。

    3 質(zhì)量流量計(jì)的誤差處理

    質(zhì)量流量計(jì)由體積流量計(jì)、密度變送器和流量積算器3個(gè)部分組成，故測(cè)量誤差必須用誤差綜合的方法進(jìn)行處理。紙漿體積流量計(jì)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比，其測(cè)量誤差小于2%；紙漿密度變送器經(jīng)取樣化驗(yàn)對(duì)比，其測(cè)量誤差小于1.5%；質(zhì)量流量積算器測(cè)量誤差小于0.5%。按方和根法進(jìn)行誤差綜合，質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)的誤差為

    可知質(zhì)量流量系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于5%，可滿(mǎn)足造紙廠(chǎng)對(duì)紙質(zhì)量流量的計(jì)算要求。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    設(shè)計(jì)的紙漿質(zhì)量流量計(jì)投入某造紙廠(chǎng)的制漿車(chē)間多次運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和精度。該系統(tǒng)解決了液固兩相流量的測(cè)量問(wèn)題。

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