流量測(cè)量在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)生活各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)人類根據(jù)不同的測(cè)量原理，研制出豐富多樣的流量計(jì)。在石油注水開(kāi)采過(guò)程中，為了保持開(kāi)采效果、保護(hù)地下環(huán)境以及日后分析注水?dāng)?shù)據(jù)，需要對(duì)注水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在油田系統(tǒng)中逐漸使用智能儀表來(lái)計(jì)量油井的出油量。計(jì)量?jī)x表精確度的高低，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的流量計(jì)作為二次開(kāi)發(fā)儀表，對(duì)油田自動(dòng)化有很大的促進(jìn)作用。

      1 系統(tǒng)原理

      流量計(jì)主要由渦街流量傳感器、前置放大器、計(jì)數(shù)顯示單元等部分組成。渦街流量傳感器主要由漩渦發(fā)生體、漩渦頻率檢測(cè)部分和殼體構(gòu)成，其作用是產(chǎn)生穩(wěn)定、強(qiáng)烈的漩渦，并檢出產(chǎn)生漩渦的頻率和輸出與漩渦頻率成正比的電信號(hào)。漩渦發(fā)生體是渦街流量計(jì)的重要元件，為了產(chǎn)生強(qiáng)烈穩(wěn)定的渦街，并在較寬的管道雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有恒定的斯特勞哈爾數(shù)，以保證儀表的線性輸出，漩渦發(fā)生體應(yīng)有一定的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸比例，這需要通過(guò)實(shí)踐方能確定。

      一般情況下，由于檢測(cè)元件輸出的信號(hào)比較微弱且含有噪聲，所以各種檢測(cè)方式的前置放大器還應(yīng)包括放大、濾波、整形等部分，合起來(lái)也稱為一次儀表部分。

      計(jì)數(shù)顯示單元被稱為流量計(jì)的二次儀表，一般由一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成流量顯示儀表，負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的記錄、存儲(chǔ)、計(jì)算、設(shè)置等功能。另外，還要控制一個(gè)液晶顯示器以顯示其測(cè)得的瞬時(shí)流量和總流量等信息。有的流量計(jì)為了與遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還帶有通信接口，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

      用單片機(jī)開(kāi)發(fā)出來(lái)的，具有多功能、軟件調(diào)節(jié)非線性誤差的智能流量顯示儀是和各種脈沖輸出的一次流量測(cè)量?jī)x表相配套的二次儀表，具有如下特點(diǎn)：

      （1）采用微處理技術(shù)，可靠性高；
      （2）采用微功耗器件，耗電低，適合電池供電；
      （3）可同時(shí)顯示累積流量和瞬時(shí)流量；
      （4）采用智能多段流量軟件補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量精度高；
      （5）可以存儲(chǔ)流量。

      技術(shù)性能如下：

      （1）輸入信號(hào)：一次儀表的頻率輸入。與流量傳感器相接，經(jīng)檢測(cè)、放大得被測(cè)介質(zhì)的流量，信號(hào)頻率為0-1000Hz的脈沖信號(hào)。傳感器連接電纜梯度小于1000m，要求導(dǎo)線電容小于0.1μF，電感小于10mH，智能流量顯示儀（二次儀表）放在計(jì)量間里，每個(gè)計(jì)量間可容納30個(gè)。
      （2）輸出信號(hào)：①累積流量顯示：8位浮點(diǎn)式，開(kāi)始顯示小數(shù)點(diǎn)后5位：0.00000m³，最后顯示小數(shù)點(diǎn)后3位：0000.000m³。表示從儀表開(kāi)始工作后的累計(jì)流量。②瞬時(shí)流量顯示：4位浮點(diǎn)式，開(kāi)始顯示小數(shù)點(diǎn)后2位：00.00m³，最后顯示小數(shù)點(diǎn)1位：000.0m³。表示當(dāng)前的瞬時(shí)流量。
      （3）抗干擾：10~17kW電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示無(wú)變化。
      （4）準(zhǔn)確度：無(wú)修正時(shí)3%左右，修正后為±0.01%。
      （5）流量修正范圍：在全流程范圍內(nèi)8段進(jìn)行補(bǔ)償修正。
      （6）設(shè)置累積流量補(bǔ)償系數(shù)位：最多8位整數(shù)。
      （7 ）電源：4-5V直流。
      （8）總耗電：<1.0mW。
      （9）帶LB欠壓指示。
      （10）環(huán)境溫度：-20－+70 。
      （11）相對(duì)濕度：<85%。
      （12）隔爆型外殼設(shè)計(jì)。

      2 硬件組成

      （1）硬件中的核心是ATMEL生產(chǎn)的AT89C51/LV51單片機(jī)，它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4k字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC-51兼容。

      （2）存儲(chǔ)流量用的存儲(chǔ)器是ATMEL生產(chǎn)的AT24C16系列，它是一種帶有閃2k字節(jié)的可電擦除?？删幊痰闹蛔x存儲(chǔ)器。通過(guò)單片機(jī)的RXD和TXD口與它的SCL和SDA分別相連，進(jìn)行讀寫操作。

      （3）測(cè)量時(shí)，有一個(gè)1s的硬件復(fù)位電路接到RESET端，使單片機(jī)定時(shí)復(fù)位。單片機(jī)采用省電模式工作，每次輸入、累計(jì)、顯示處理后等待喚醒，功耗小。設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)時(shí)，復(fù)位腳正常連接。

      （4）輸入脈沖通過(guò)分頻、74HC393鎖存后，送人單片機(jī)的P2口。在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)程序處理后，輸出顯示信號(hào)送到P1 口（數(shù)據(jù)4位，選擇信號(hào)4位）。數(shù)據(jù)中4位送入MC14543（BCD――鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器）中。共有12個(gè)MC14543，分別控制著與累計(jì)流量8位及瞬時(shí)流量4位相連的液晶塊的顯示數(shù)據(jù)，4位選擇信號(hào)送到CD4514譯碼器（4位鎖存/4-16線譯碼器），選擇接收數(shù)據(jù)的MC14543芯片和浮動(dòng)顯示的小數(shù)點(diǎn)位。

      （5）硬件分以下兩部分：

      ①控制部分如圖1所示。對(duì)流量信號(hào)處理，得到累積流量和瞬時(shí)流量的顯示數(shù)據(jù)。
      ②顯示部分將顯示數(shù)據(jù)送到液晶顯示屏。兩部分通過(guò)一個(gè)10針的插座J1相連。

      注：
      （1）單片機(jī)P2口（p20-p27）接經(jīng)過(guò)分頻得頻率信號(hào)輸入（8位）。 
      （2）單片機(jī)的P3.4（T0）接按鍵：“設(shè)定鍵”；P3.5（T1）接按鍵：“確定鍵”；P3.2（Int0）接按鍵：“移位鍵”；P3.3（Int1）接按鍵：“加一鍵”。
      （3）P3.1（TXD）接AT24C16的SDA，P3.0（RXD）接AT24C16的SCL。
      （4）開(kāi)關(guān)K的1、3接通時(shí)設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)，單片機(jī)的RESET2正常接復(fù)位電路；K的2接通時(shí)儀表正常使用；K的2、3、4接通時(shí)顯示輸入的頻率值。
      （5）單片機(jī)的P0端空閑，等儀表出廠時(shí)，可以將單片機(jī)的PO口中的若干引腳燒掉，以保護(hù)開(kāi)發(fā)者的勞動(dòng)成果，相關(guān)知識(shí)可查閱單片機(jī)的程序加密方法。

      3 軟件設(shè)計(jì)部分

      主程序框圖如圖2所示。

      4 使用效果與改進(jìn)

      本智能流量顯示儀用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量已有5年多，運(yùn)行可靠，測(cè)量準(zhǔn)確，性價(jià)比非常低，易于功能擴(kuò)展。現(xiàn)已加入流量報(bào)警、控制流量大小等功能。當(dāng)流量超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，能發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；當(dāng)設(shè)定流量控制參數(shù)后，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量大小。該儀表也可以結(jié)合工業(yè)組態(tài)軟件mcgs或組態(tài)王，作為下位機(jī)收集流量數(shù)據(jù)，送給組態(tài)服務(wù)器來(lái)處理。

      參考文獻(xiàn)

      1 李華 MCG-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社出版，1997。
      2 李廣弟 單片機(jī)基礎(chǔ)．北京航空航天大學(xué)出版社出版，1994。