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什么是涡轮流量变送器 8253涡轮变送器的设计与应


文章日期:2018-05-01|阅读数:


摘要:根据涡轮流量计的流量与脉冲成正比的工作原理,利用8253(可编程定时/计数器)采集脉冲信号,设计了涡轮流量变送器。再对涡轮流量计进行校核,然后通过软件设计对非线性的k系数进行校正,实现了涡轮流量传感器的测量。经过长时间的实际车辆试验,基于8253的涡轮流量变送器工作稳定,可以广泛用于工业监测。 

1、引言:涡轮流量计具有结构简单,体积小,精度高,重复性好,量程范围宽和能够输出频率信号等优点,因而广泛应用于工业生产过程监控,测量等领域。涡轮流量传感器的主要性能指标是其量程范围内仪表系数的重复性与线性误差。重复性误差主要反映涡轮变送器的性能,线性误差反映涡轮的性能。仪表系数的特性一直是众多科研工作者关注的问题,天津大学王振、孙立军等人一在这方面做了许多工作,这些工作主要集中于K-qv特性上,即主要研究涡轮流量传感器本身。    而本文主要研究输出脉冲信号的涡轮流量传感器的数据采集,并将其应用于工程实际。

2、原理:
2. 1、涡轮流量计工作原理:

   涡轮流量传感器的结构如图1 (a)所示,叶轮的叶片用导磁材料制作,与磁铁、铁芯及线圈形成磁路。叶片旋转时,磁阻发生变化,使线圈感应出脉冲电压,该信号经放大整形后,使,叮输出供检测用的脉冲信号。    在涡轮叶片一的平均半径:处取断面,并将圆周展成直线,得到图1(b),由图可得:
图1 涡轮流量计传感器结构及速度分析
流量计算公式

    K即为仪表系数,由式(6), K完全取决j几结构参数,对具体的流量传感器K为常数。根据式(5)只要测量出脉冲信号f就可获得体积流量q。
2.2、脉冲信号的采集:
   脉冲量的测量大致有两类:一类为频率量的测量,即测量单位时间的脉冲数,如频率、速度的测量:另一类为测量累计脉冲数,如距离、角度等的测量。测量频率量一般有三种方法:一种为M法,即测量一定时间内脉冲的个数,这种方法在低频段误差较大,适合高频情况;一种为T法,即测量速度信号两脉冲之间的间隔时间,适用于低频情况;***后一种为M/T法,它无论在低频段还是高频段测量精度都能达到很高的水平。本系统流量传感器测量频率范围310--4800Hz选用M法。

3、涡轮流量变送器的设计:
3. 1、硬件设计:

   涡轮流量传感器与计数芯片可编程定时/计数器8253之间通过光电祸合器4N25进行连接,如图2(a所示,其中4N25的作用就是进行光电隔离。然后8253再连接至单片一机芯片AT89C52, 图2 (b)所示。***后通过AT89C52将信号传输到CAN控制器,由CAN总线进行数据接收。    本系统中1司时采集四路流量传感器,采用了两片8253, 8253的引脚GATEi接电源Vcc,通电就开始计数。
图2硬件接口电路
图2硬件接口电路
    根据水流量信号的采集原理,只要在一秒的时间内,读出输入信号的脉冲数,即可得到输入信号的脉冲频率。利用AT89C52内部的两个16位可编程定时器/计数器(T1, TO),即可实现定时一秒。四路信号脉冲数的读取逻辑如下表所示。
表1  8253的控制逻辑

    其中P2.0, P2.1, P2.2, P2.3,丽、WR分别为AT89C52管脚。
3. 2、软件设计:
   水流量数据采集的程序框图如图3示,通过给8253的各个通道写方式控制字,将当前数据存入锁存器,读取各个通道的脉冲数,记为old[i];定时时间结束时,再将当前数据存入锁存器,读取各个通道的脉冲数,记为new[i];则所定时间内的脉冲数:tai]=new[i]- old[i]o根据公式(5)即可得到相应传感器的流量。
图3程序框图
图3程序框图
    设置定时器/计数器(TI, TO)的方式寄存器( TMOD)参数,TMOD=0x61,将TO作为16位定时器。由于计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生,如图2 (b)采用12MHz晶振,所以计数周期为:T=1/ (12xlO6Hzx1112)=ls。所以,定时一秒需要计数106,  16位定时器的***大计数为65536,故需要重复计数,重复计数20次时,计数器的初值为THO=Ox3c; TLO=Oxaf。

4、误差检定:
   根据文献对基于8253的涡轮流量计进行误差检定。
4.1、流量计的仪表系数:
4. 2、仪表系数***大示值:

  误差EE=`Ki)mar\Ki. /max一\K> }m;0+ }Ki)m;}x 100%(8)4. 3流量计重复性误差Er ix 100%式中,E,;—第1个测试点的重复性误差;    n一每个测试点测试次数;    K;一一-第i个测试点第J次检定的系数;    K,—第i个测试点检定的平均系数;则流量计的重复性误差为    Er- max9)(10)    对一个涡轮流量计的检定结果如表2所示,所检定的涡轮流量计型号为LWGY 15 ,测量范围为
误差分析图

0.6~6m'/h,供电电源为12 VDC士10%,电流≤10mA ;    根据式(7)一(10),由表2可得所检定的涡轮流量传感器K=781.993m-3 E=1.68% E0.046%。

5、误差分析:
5. 1、定时误差:

   根据流量传感器的上作原理,由图3从定时器结束定时,到8253数据锁存结束,中间至多存在5个指令周期的时间差,约为5 X 10-bs,在定时is时,这个时间误差可以忽略;如图2 (b>单片机采用12MHz的况!振进行定时,而12MHz的晶振误差约为0.16%,从而导致流量传感器的测量误差约为0.16%。所以所设计的涡轮变送器准确度等级不超过0.2,可以达到0.5。
表2涡轮流量传感器标定记录
表2涡轮流量传感器标定记录
5.2、K系数误差:
  由表2可以得到检定的涡轮流量传感器的K-qv曲线,如图4所示,涡轮流量传感器的k系数在其测量范围的两端误差比较大。文献中广泛认为涡轮流量传感器具有“驼峰”形K-qv特性曲线,文献认为涡轮流量传感器具有“锯齿”形K-qv特性曲线,不管是什么形状的K-qv特性曲线,都是在其测量范围的两端,k系数处于非线性。如果采用理想的线性k系数来代替非线性的k系数,产生的误差就比较大。可以通过如图3所示的软件设计采用分段k系数或者对K系数进行修正,来提高测量精度。有关K系数的修正,可以参阅文献「8]0
图4检定的涡轮流量计K-qv曲线
图4检定的涡轮流量计K-qv曲线

5.3、重复性误差:
   可以说重复性误差主要用于反映涡轮流量计变送器性能的指标。采用基于8253的涡轮流量计,根据表2,重复性误差只有0.046%,按照文献【8],重复性误差达到了0.2的精度等级。所以,采用8253计数的涡轮流量计满足测量的要求。

6、实际应用:
图5冷却水流量监测

    将所设计的涡轮流量计用于电传动车辆试验样车上,经过长时间的试验,涡轮流量计工作正常。在实际的跑车试验中,通过监测水流量信息还可以用于故障诊断。在正常工作时,部件的水流量如图5所示。如果部件没有循环,水流量的信号基本为零,如果水路缺水,动比较大平均的水流量将会下降,而民水流量信号波动比较大。

7、结论:
   (1)完成了基于8253计数芯片的涡轮流量传感器数据采集的软硬件设计。
   (2)通过软件设i1一的方法可以对非线性的K系数进行校正,以提高测量精度。
   (3)基于8253计数芯片的涡轮流量变送器具有很好的重复性,稳定性,可广泛用于工业监测。


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