江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
引言
在自動化程度較高的生產(chǎn)過程中，過程流量的測量技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步。但對多相流體的測量及控制仍然是一個研究的重點。大多數(shù)場合，對多相流體的測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)量流量的檢測計量更是研究的熱點。作者選擇了紙漿的液固兩相流體作為研究對象，研發(fā)了紙漿質(zhì)量流量計。流量計是間接式質(zhì)量流量計，是利用測量液固兩相流體的體積流量與固相的密度，間接計算出該固相的質(zhì)量流量。該方法易于實現(xiàn)且測量精度較高。
1 質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)
質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個變送器與質(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)行計算處理而實現(xiàn)測量的。其瞬時質(zhì)量流量測量方程為
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)量流量計系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差修正參數(shù)。累計質(zhì)量流量的計量方程為
式中：qi為第i秒時采樣的瞬時流量平均值，kg/s；
Δt為累計的時間間隔，常取1s。
單片機(jī)根據(jù)不同輸入信號的上下限、修正值，按不同的算法進(jìn)行高精度的運算。
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時時鐘電路等構(gòu)成主板。I/V將體積流量和密度的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，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對轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、計算處理，zui后送LED顯示和打印輸出。
主板上的實時時鐘電路MC146818使用獨立的晶振電路，頻率為4.194Hz，進(jìn)一步提高累計流量的準(zhǔn)確度。同時，當(dāng)電源掉電時，備用電池使時鐘電路連續(xù)工作，當(dāng)電源重新上電時，時鐘不受任何影響，能打印出掉電時的時間和重新上電的時間。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，可打印出掉電時的相關(guān)信息。*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。
為了滿足計算機(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、顯示接口電路
鍵盤、顯示接口與MCS251系列的單片機(jī)相連，實現(xiàn)動態(tài)顯示；MCS251系列的單片機(jī)用中斷方式響應(yīng)鍵盤輸入，以提高人-機(jī)對話的可靠性。使用鍵盤可隨時修改參數(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，用以顯示瞬時體積流量、流體密度、瞬時質(zhì)量流量、累計質(zhì)量流量等。
2.3 質(zhì)量流量積算器的軟件設(shè)計
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立，在執(zhí)行過程中通過調(diào)用子程序的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，這樣的結(jié)構(gòu)成為可讀性很強(qiáng)的用戶軟件，其主程序流程圖如圖3所示。
2.3.1 采樣、濾波、計量子程序的設(shè)計
由于紙漿流量、密度均是緩慢變化的低頻信號，因此經(jīng)A/D采樣獲得的信號在短時間內(nèi)不會產(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的范圍可用鍵盤任意設(shè)定，起點一般不為0，這樣限定了工作區(qū)段，提高了分辨率，也提高了計量精度。積算器輸入信號類別及信號標(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)字的方法自動識別信號的量限、類別、標(biāo)準(zhǔn)以及即時狀態(tài)，進(jìn)入不同輸入信號下各異的標(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)動子程序的設(shè)計
紙漿質(zhì)量流量計主要用于制漿造紙廠的純纖維量的自動計量，系統(tǒng)除顯示瞬時流量值供監(jiān)督控制外，還需打印輸出累計量供生產(chǎn)管理用。因此該程序還設(shè)計了報表式打印輸出，每小時定時打印1h內(nèi)的質(zhì)量流量，8h后打印1個班的質(zhì)量流量，月末打印全月的流量，年底則自動打印全年流量。
2.3.3 實時時鐘電路的使用及掉電信息處理的子程序的設(shè)計
實時時鐘電路MC146818用總線方式直接與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，程序自動進(jìn)行1次流量累計。電路采用了1s基準(zhǔn)值，進(jìn)而提高了累計流量的計量精度。時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，用來存放掉電時的有關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，每隔一定時間將系統(tǒng)計量的有關(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，程序自動讀出芯片2816中的有關(guān)內(nèi)容，自動轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自診斷、自適應(yīng)的功能。
3 質(zhì)量流量計的誤差處理
質(zhì)量流量計由體積流量計、密度變送器和流量積算器3個部分組成，故測量誤差必須用誤差綜合的方法進(jìn)行處理。紙漿體積流量計經(jīng)現(xiàn)場對比，其測量誤差小于2%；紙漿密度變送器經(jīng)取樣化驗對比，其測量誤差小于1.5%；質(zhì)量流量積算器測量誤差小于0.5%。按方和根法進(jìn)行誤差綜合，質(zhì)量流量測量系統(tǒng)的誤差為
可知質(zhì)量流量系統(tǒng)的測量誤差小于5%，可滿足造紙廠對紙質(zhì)量流量的計算要求。
4 結(jié)束語
設(shè)計的紙漿質(zhì)量流量計投入某造紙廠的制漿車間多次運行，運行過程穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求和精度。該系統(tǒng)解決了液固兩相流量的測量問題。
