单片机来控制质量流量计的纸浆测量系统设计方案        在自动化程度较高的生产过程中,过程流量的测量技术已取得了很大的进步.但对多相流体的测量及控制仍然是一个研究的重点.大多数场合,对多相流体的测量目的是希望获得各分相物质的相关数据,特别是两相流体中各分相质量流量的检测计量更是研究的热点.作者选择了纸浆的液固两相流体作为研究对象,研发了纸浆质量流量计.流量计是间接式质量流量计,是利用测量液固两相流体的体积流量与固相的密度,间接计算出该固相的质量流量.该方法易于实现且测量精度较高.     1 质量流量计的结构     质量流量计的结构如图1所示.两个变送器与质量流量积算器均采用MSC251系列单片机构成.变送器输出的信号直接送到质量流量积算器中进行数据处理.     2 质量流量积算器系统     2.1 测量原理     质量流量积算器是利用输入的体积流量L与纸浆中固相的密度C进行计算处理而实现测量的.其瞬时质量流量测量方程为     q=k1k2CL    式中:qi为第i秒时采样的瞬时流量平均值,kg/s; Δt为累计的时间间隔,常取1s. 单片机根据不同输入信号的上下限、修正值,按不同的算法进行高精度的运算. 式中:L为体积流量,m3/h;     C为纸浆密度,kg/dm3;     k1为纸浆密度、打浆度等特征的修正参数;     k2为质量流量计系统的系统误差修正参数.累计质量流量的计量方程为         2.2 主板电路 MCS251系列的单片机、打印机接口、I/V变换、串行通信接口以及实时时钟电路等构成主板.I/V将体积流量和密度的电流信号转换成电压信号,送10位A/D转换器,其转换分辨率为1‰.MCS251系列的单片机的CPU对转换的数字信号进行数字滤波、标度变换、计算处理,最后送LED显示和打印输出. 质量流量积算器的硬件结构         2.2.1 质量流量积算器是以MCS251系列的单片机为核心的智能系统,其硬件由两大部分组成,如图2所示.图2详细给出了MC146818时钟电路与MCS251系列的单片机的接口,以及微型面板式打印机和MCS251系列的单片机的接口连接图.     主板上的实时时钟电路MC146818使用独立的晶振电路,频率为4.194Hz,进一步提高累计流量的准确度.同时,当电源掉电时,备用电池使时钟电路连续工作,当电源重新上电时,时钟不受任何影响,能打印出掉电时的时间和重新上电的时间.而且由于MCS251系列的单片机的小系统中使用了E2PROM芯片,当系统重新上电时,可打印出掉电时的相关信息.完全不用人工干预处理,系统均能连续工作且具有智能化.     为了满足计算机信息管理的需要,该机设有串行通信输入、输出接口,可直接与变送器通信,供集中控制和管理.     2.2.2 键盘、显示接口电路  质量流量积算器的软件设计 软件采用程序调用的方法.主程序及各子程序的功能相互独立,在执行过程中通过调用子程序的方法实现数据处理,这样的结构成为可读性很强的用户软件,其主程序流程图    键盘、显示接口与MCS251系列的单片机相连,实现动态显示;MCS251系列的单片机用中断方式响应键盘输入,以提高人-机对话的可靠性.使用键盘可随时修改参数,如变送器的量程范围、上下限值、修正系数等,系统使用起来更加灵活、适应性更强.     该系统设定了8位LED显示,用以显示瞬时体积流量、流体密度、瞬时质量流量、累计质量流量等.     2.3     2.3.1 采样、滤波、计量子程序的设计     由于纸浆流量、密度均是缓慢变化的低频信号,因此经A/D采样获得的信号在短时间内不会产生突变.为提高数据的可信度,采用多次采样,去大除小并求平均的数据处理方法,以获得更准确的值.输入的纸浆流量和密度信号的范围可用键盘任意设定,起点一般不为0,这样限定了工作区段,提高了分辨率,也提高了计量精度.积算器输入信号类别及信号标准也可任意设定,所以系统的标度变换也不同.为了解决不同设定值的标度变换,采用了设标志字、状态字的方法自动识别信号的量限、类别、标准以及即时状态,进入不同输入信号下各异的标度变换子程序进行处理,获得正确的质量流量值.     2.3.2 实时时钟电路的使用及掉电信息处理的子程序的设计 实时时钟电路MC146818用总线方式直接与MCS251系列的单片机连接,其接口地址设为4000H.时钟电路编程初始化后即可连续工作.电路每隔1s产生1次中断,程序自动进行1次流量累计.电路采用了1s基准值,进而提高了累计流量的计量精度.时钟电路还装有备用电池,防止掉电的影响. 机内采用了E2PROM芯片2816,用来存放掉电时的有关数据.当系统正常工作时,每隔一定时间将系统计量的有关数据进行备份,存放在芯片2816中,刷新频率可据计量要求自由设定.当系统由停电转入上电状态时,程序自动读出芯片2816中的有关内容,自动转入正常工作状态,实现了系统的自诊断、自适应的功能.     2.3.3 打印驱动子程序的设计 纸浆质量流量计主要用于制浆造纸厂的纯纤维量的自动计量,系统除显示瞬时流量值供监督控制外,还需打印输出累计量供生产管理用.因此该程序还设计了报表式打印输出,每小时定时打印1h内的质量流量,8h后打印1个班的质量流量,月末打印全月的流量,年底则自动打印全年流量.     3 质量流量计的误差处理     质量流量计由体积流量计、密度变送器和流量积算器3个部分组成,故测量误差必须用误差综合的方法进行处理.纸浆体积流量计经现场对比,其测量误差小于2%;纸浆密度变送器经取样化验对比,其测量误差小于1.5%;质量流量积算器测量误差小于0.5%.按方和根法进行误差综合,质量流量测量系统的误差为         可知质量流量系统的测量误差小于5%,可满足造纸厂对纸质量流量的计算要求.    设计了采用质量流量计的纸桨测量系统.介绍了该测量系统的原理、硬件组成及程序设计.重点介绍了硬件中的MC146818主板时钟电路、积算器和各个接口与主控单片机的连接以及误差处理方法.并通过现场的实际运行,验证了该系统具有高精度和稳定性好的特点       设计的纸浆质量流量计投入某造纸厂的制浆车间多次运行,运行过程稳定,满足设计要求和精度.该系统解决了液固两相流量的测量问题.推荐产品.电磁流量计,压力变送器,新型靶式流量计,超声波流量计,涡街流量计,涡轮流量计,热电偶