原油涡轮流量计

【资料简介】

江苏金鼎自动化仪表有限公司 ：姚佳明  

1 工作原理

    涡轮流量计是将涡轮传感器产生的与原油流量成正比的脉动信号转换成流量值，即将传感器单位时间输出脉冲数和输出脉冲总数转换成瞬时流量和总流量，并显示出来。系统能够实时显示当前瞬时流量、当前累加总流量、当前时间，并具有在线参数设置功能。同时可将流量、时间等信号转换成4～20mA的电流信号，以便于信号远传[1]。系统采用LCD显示及低功耗工作方式，整个电路除通信模块外，其它部分均可在2.7～3V电压下工作。在野外无电源场合下可采用2节1.5V干电池供电，完成流量检测和显示功能。单片机选用美国Microchip公司生产的PIC16F873。PIC系列8位单片机采用精简指令集计算机结构（RISCCPU），仅有35条单字指令，可以应用在数字化仪器仪表、自动测试和控制、智能化家用电器等领域[2]。工作频率范围为DC～20MHz；其功耗在工作电压为5V、晶振频率为4MHz时典型值小于2mA，3V/32kHz时小于20μA；运行电压范围：2.0～5.5V；有3组双向I/O口，引脚具有很强的负载直接驱动能力，25mA的吸入/拉出电流；支持中断处理（13个中断源）；具有8级深度的硬件堆栈，方便于实现多级子程序调用；串行通信模式方面可支持USART、SPI及I2C等通信方式[3-4]。

    2 主要功能

    系统硬件电路（如图1所示）包括涡轮传感器输出信号整形放大电路、键盘接口电路、液晶显示电路、D/A和V/I转换电路。各部分电路主要功能介绍如下：

    （1）由涡轮传感器输出的脉冲信号，其幅值、波形都是不规则的，在进入显示仪表后，先需整形成为有规则的具有一定幅值的矩形电脉冲信号，整形放大电路正是实现了这一功能[5]。矩形脉冲信号送入单片机的引脚TOCK1，经片内定时器TIM2ER0对其进行计数，并计算出瞬时流量、当前累加总流量。PIC16F873采用32.768kHz的标准晶振，利用单片机内部的计数器、预分频器，可得到一个的时钟源。

    （2）设计了一个6位LCD显示器用于显示仪表系数、时间、瞬时流量、累积流量等。PIC16F873的RA口输出显示数据的BCD码，经BCD译码器译码后送LCD的段码端，RB2～RB7分别控制6位LCD的位选通，以实现显示功能。

    （3）键盘接口电路采用查询方式工作。电路中共有4个按键，其中有2个键定义为“加一键”和“减一键”，用于参数修订；另外2个键分别为编程键、选项键，按下编程键后，进入编程状态，用户输入平均仪表系数。选项键用来确定显示哪种流量方式（如瞬时流量、累积流量等）。

    （4）瞬时流量、累积流量被计算出后，除现场显示外，在条件允许的情况下还可变为4～20mA电流信号，进行远距离传送。本电路中先用D/A转换器，把数字信号变成电压信号，再使用电压/电流转换器将其变成适合工业测控系统远距离传送的4～20mA电流信号。D/A转换器的型号为MAX504，是由美信（Maxim）公司生产的一种低功耗、电压输出型10位串行数/模转换器[6]。以串行方式接收单片机送来的数据，进行数/模转换。MAX504的工作模式有三种：单极性配置、双极性配置、四象限乘法器等，本电路中采用单极性配置且增益为1，即芯片把10位数字信号转换成0～2V电压。

    （5）系统选用AD694作为V/I转换器，AD694是一种4～20mA电压/电流转换器，它的特点是不接或只接很少的外部元件就能达到0.02%的非线性度，精度高，且抗干扰性强，可广泛应用于压力、流量、温度等信号的参数传递和对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。它可与MAX504直接配合使用，将其输出的0～2V电压信号转换成4～20mA电流信号，以进行信号远传。

    （6）系统软件采用模块化设计方法。整个系统由主程序模块、键盘处理模块、定时器处理模块、流量计算存储模块、数据显示模块及串行通信模块组成，实现流量信号的采集、显示、远传等功能。新型涡轮流量计系统采用PIC16F873单片机，具有测量准确、低成本、低功耗、方便在线修正仪表参数等优点，适用于油田生产现场，已在陕北油田实际应用中取得了良好的效果。