原油渦輪流量計

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

1 工作原理

    渦輪流量計是將渦輪傳感器產生的與原油流量成正比的脈動信號轉換成流量值，即將傳感器單位時間輸出脈沖數(shù)和輸出脈沖總數(shù)轉換成瞬時流量和總流量，并顯示出來。系統(tǒng)能夠實時顯示當前瞬時流量、當前累加總流量、當前時間，并具有在線參數(shù)設置功能。同時可將流量、時間等信號轉換成4～20mA的電流信號，以便于信號遠傳[1]。系統(tǒng)采用LCD顯示及低功耗工作方式，整個電路除通信模塊外，其它部分均可在2.7～3V電壓下工作。在野外無電源場合下可采用2節(jié)1.5V干電池供電，完成流量檢測和顯示功能。單片機選用美國Microchip公司生產的PIC16F873。PIC系列8位單片機采用精簡指令集計算機結構（RISCCPU），僅有35條單字指令，可以應用在數(shù)字化儀器儀表、自動測試和控制、智能化家用電器等領域[2]。工作頻率范圍為DC～20MHz；其功耗在工作電壓為5V、晶振頻率為4MHz時典型值小于2mA，3V/32kHz時小于20μA；運行電壓范圍：2.0～5.5V；有3組雙向I/O口，引腳具有很強的負載直接驅動能力，25mA的吸入/拉出電流；支持中斷處理（13個中斷源）；具有8級深度的硬件堆棧，方便于實現(xiàn)多級子程序調用；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

    系統(tǒng)硬件電路（如圖1所示）包括渦輪傳感器輸出信號整形放大電路、鍵盤接口電路、液晶顯示電路、D/A和V/I轉換電路。各部分電路主要功能介紹如下：

    （1）由渦輪傳感器輸出的脈沖信號，其幅值、波形都是不規(guī)則的，在進入顯示儀表后，先需整形成為有規(guī)則的具有一定幅值的矩形電脈沖信號，整形放大電路正是實現(xiàn)了這一功能[5]。矩形脈沖信號送入單片機的引腳TOCK1，經(jīng)片內定時器TIM2ER0對其進行計數(shù)，并計算出瞬時流量、當前累加總流量。PIC16F873采用32.768kHz的標準晶振，利用單片機內部的計數(shù)器、預分頻器，可得到一個的時鐘源。

    （2）設計了一個6位LCD顯示器用于顯示儀表系數(shù)、時間、瞬時流量、累積流量等。PIC16F873的RA口輸出顯示數(shù)據(jù)的BCD碼，經(jīng)BCD譯碼器譯碼后送LCD的段碼端，RB2～RB7分別控制6位LCD的位選通，以實現(xiàn)顯示功能。

    （3）鍵盤接口電路采用查詢方式工作。電路中共有4個按鍵，其中有2個鍵定義為“加一鍵”和“減一鍵”，用于參數(shù)修訂；另外2個鍵分別為編程鍵、選項鍵，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哪種流量方式（如瞬時流量、累積流量等）。

    （4）瞬時流量、累積流量被計算出后，除現(xiàn)場顯示外，在條件允許的情況下還可變?yōu)?～20mA電流信號，進行遠距離傳送。本電路中先用D/A轉換器，把數(shù)字信號變成電壓信號，再使用電壓/電流轉換器將其變成適合工業(yè)測控系統(tǒng)遠距離傳送的4～20mA電流信號。D/A轉換器的型號為MAX504，是由美信（Maxim）公司生產的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉換器[6]。以串行方式接收單片機送來的數(shù)據(jù)，進行數(shù)/模轉換。MAX504的工作模式有三種：單極性配置、雙極性配置、四象限乘法器等，本電路中采用單極性配置且增益為1，即芯片把10位數(shù)字信號轉換成0～2V電壓。

    （5）系統(tǒng)選用AD694作為V/I轉換器，AD694是一種4～20mA電壓/電流轉換器，它的特點是不接或只接很少的外部元件就能達到0.02%的非線性度，精度高，且抗干擾性強，可廣泛應用于壓力、流量、溫度等信號的參數(shù)傳遞和對閥、調節(jié)器以及過程控制中一些常用設備的控制。它可與MAX504直接配合使用，將其輸出的0～2V電壓信號轉換成4～20mA電流信號，以進行信號遠傳。

    （6）系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由主程序模塊、鍵盤處理模塊、定時器處理模塊、流量計算存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及串行通信模塊組成，實現(xiàn)流量信號的采集、顯示、遠傳等功能。新型渦輪流量計系統(tǒng)采用PIC16F873單片機，具有測量準確、低成本、低功耗、方便在線修正儀表參數(shù)等優(yōu)點，適用于油田生產現(xiàn)場，已在陜北油田實際應用中取得了良好的效果。