CN106289414B - 基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置及控制方法，用于解决现有涡街流量计中存在的工控质量低和测量范围窄的技术问题，测量装置包括涡街流量探头、信号处理电路模块、电机驱动电路模块、限位电路模块、MCU主控电路模块和通讯模块；信号处理电路模块将涡街流量探头输出的电荷信号转化为方波信号，MCU主控电路模块经三次样条插值标定后将方波信号转换成瞬时流量并计算累计流量，进而对通讯模块设置地址号与外界上位机通讯，再将通讯模块发回的额定流量与瞬时流量作比较，最后将比较结果发送给电机驱动电路模块同时结合限位电路模块的输入采用闭环反馈方法，实现测量装置的远程检测与控制和流量的自动调节。

Description

基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置及控制方法

技术领域

本发明属于检测技术及自动化控制技术领域，涉及高压液体流量的测量与闭环反馈控制，具体涉及一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置及控制方法，可用于大型工业过程水流量的检测与控制。

背景技术

在当今世界，以互联网与物联网等为支柱的高新技术正日益将人类社会从工业化时代带向信息化、网络化时代。检测技术及其自动控制作为获取自然界各种信息的最直接手段，已然成为与计算机同等重要的技术而深入日常生活和生产的各个领域。

现阶段，对管道内液体流量测量的装置按照测量原理和结构主要可分为以下几类：容积式流量计、叶轮式流量计、电磁式流量计和涡街流量计等。前两种流量计在结构上属于机械式测量装置，其优点为测量范围宽、对安装管道的条件要求不高，其缺点主要表现在机械结构较为复杂、实时性和可控性不高、容易使管道产生振动等。电磁式流量计与涡街流量计都是以测量液体流速来得到液体流量的流量计，属于速度式流量计。电磁式流量计多用于测量水、矿浆等介质的流量，测量精度和灵敏度较高，但因其造价高且易受到外界磁场的干扰而影响了其在工业测量中的广泛应用。涡街流量计的工作原理是基于钝体绕流现象，即当流体绕流非流线形物体(又称钝体)时在一定流动工况下会发生钝体后部的旋涡脱落现象，旋涡脱落的频率与流体流动速度之间存在一定关系，利用这一关系通过对旋涡频率的检测实现流量的测量。目前已存在的涡街流量计包括涡街传感头、电荷放大器、信号放大器、滤波器、A/D转换、微控制器、按键输入和LCD显示等部件；其工作过程为：电荷放大器将涡街流量探头输出的电荷信号转换成电压信号，在经信号放大器、滤波器和A/D转换后通入微控制器进行频率信号和流量值换算，之后在LCD显示屏上显示，按键的作用为参数输入，涡街流量计标定多采用线性标定法。它具有无机械可动部件、压力损失小等优点，此外，测量流量几乎不受流体组成、密度、粘度等因素的影响，测量精度高；但是目前现有的涡街流量计在调节液体流量时需要人为手动调节阀门，且无法做到远程多点测量及组网，工控质量低，同时在小流量区域时，由于涡街流量探头的非线性特性，且线性标定过程中光滑度较差造成测量精度低，导致量程范围窄的技术问题，制约了我国工业自动化水平的提高。

例如中国专利申请，授权公告号为CN 205015021U，名称为“温压补偿型涡街流量计”的发明专利，公开了一种温压补偿型涡街流量计，包括单片机、传感器、前置放大处理电路单元、隔离电路单元、脉冲放大电路单元、电流变换电路单元与显示器；其中，传感器依次与前置放大处理电路单元、隔离电路单元、单片机与电流变换电路单元相连接，隔离电路单元还与脉冲放大电路单元相连接，单片机与显示器相连接；传感器为涡街传感器、压电传感器或差动电容传感器中的一种。该实用新型发明具有结构简单、可靠性高、耐用性强的优点，采用传感器检测出漩涡频率，对频率信号进行调理后，输入单片机作运算处理，可对流体的流量和累积总量进行现场显示，并可输出与流量成比例的脉冲信号与4～20mA的电流信号图；但是也存在着以下不足：(1)该系统因缺乏与外界上位机的通信模块不能实现外界上位机的远程控制、数据传输、多点测量后的组网等功能，(2)该系统因不具备闭环反馈控制环节不能实现对管道内流量的自动调节，属于工控质量较低的流量计，不适合在大型油田或者工厂推广应用，不满足我国物联网发展的目标。

综上所述，结合我国物联网的发展目标，针对管道内高压液体流量的检测与控制，开发能够实时获取并准确控制液体流量的实验设备，研究相关的检测理论与控制技术，提高工控质量和扩宽量程范围，是当前亟需解决的问题，且具有重大研究价值和应用意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置及控制方法，用于解决现有涡街流量计中存在的工控质量低和量程范围窄的问题。

本发明的技术思路是：采用闭环反馈调节方法，实现对测量装置流量的自动调节，通过设置多个测量装置通讯模块的地址号，进行多点测量和组网，实现大区域整体流量的远程检测与控制，通过分析钝体绕流现象掌握涡街频率和液体流速之间实际中的非线性关系，采用三次样条插值标定法，实现宽量程测量。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：

一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，包括涡街流量探头、信号处理电路模块和MCU主控电路模块，其中：

涡街流量探头，用于采集管道内液体的涡街信号并将其转化为电荷信号；

信号处理电路模块，采用四级运算放大器，用于对涡街流量探头输出的电荷信号实现信号转换，得到多个标准电压方波信号；

MCU主控电路模块，用于将信号处理电路输出的方波信号转换成瞬时流量值，同时计算累计流量值，并实现对测量装置的控制；

所述MCU主控电路模块，采用具有显示驱动功能的MCU最小系统，其输入端连接有限位电路模块，用于检测阀门的极限位置，该MCU主控电路模块的输出端连接有电机驱动电路模块，用于驱动电机带动阀门调节液体的流量，该MCU主控电路模块的通讯端连接有通讯模块，用于实时传输流量数据并实现多点测量和组网特性。

上述基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，所述信号转换，是指电荷信号进行电荷/电压转换、电压放大、滤波和整形。

上述基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，所述信号处理电路模块，其电压放大器的放大倍数可根据管道口径尺寸实现调节。

上述基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，所述电机驱动电路模块，采用通过两路光电耦合芯片实现对可关断晶闸管的控制。

上述基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，所述限位电路模块，包括常开式干簧管电路和磁钢，其中常开式干簧管电路固定在测量装置的基座上，磁钢固定在连接阀门和电机的转轴上。

一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)对MCU主控电路模块进行初始化；

(2)初始化的MCU主控电路模块采用三次样条插值标定法，对测量装置进行流量标定，得到涡街信号与瞬时流量值的函数关系V(f)，实现步骤为：

2a)将测量装置的量程范围划分为多个量程段；

2b)根据标准流量计瞬时流量值v，统计多个量程中每个量程段的标准电压方波个数f；

2c)利用标准流量计瞬时流量值v和每个量程段的标准电压方波个数f，计算涡街信号与瞬时流量值的函数关系V(f)；

(3)信号处理电路模块对涡街流量探头输出的电荷信号进行电荷/电压转换、电压放大、滤波和整形，得到多个标准电压方波信号；

(4)MCU主控电路模块将得到的标准电压方波信号的个数代入涡街信号与瞬时流量值函数关系V(f)，得到瞬时流量值，同时计算累计流量值；

(5)通讯模块根据其设置的地址号，将得到的瞬时流量值和累计流量值发送到外界上位机显示，同时将在外界上位机上设定的额定流量值发送回MCU主控电路模块；

(6)MCU主控电路模块比较额定流量值和瞬时流量值的大小，并将比较结果发送给电机驱动电路模块，实现流量自动调节。

上述基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置的控制方法，步骤(6)中所述的流量自动调节，采用闭环反馈调节方法，实现步骤为：

6a)若额定流量值大于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机增大阀门开度，限位电路模块当检测到阀门达到极大位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

6b)若额定流量值小于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机减小阀门开度，当限位电路模块检测到阀门达到极小位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

6c)若额定流量值等于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块停止电机对阀门开度的调节。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明由于MCU主控电路模块通讯端连接有通讯模块，能够将得到的瞬时流量值和累计流量值发送到外界上位机显示，同时将在外界上位机上设定的额定流量值发送回MCU主控电路模块进行流量控制，能够实现测量数据的实时传输和测量装置的远程控制，此外，通过设置多个测量装置通讯模块的地址号，进行多点测量和组网，能够实现大区域整体流量的远程检测与控制，MCU主控电路模块，其输入端连接有限位电路模块，其输出端连接有电机驱动电路模块，并采用闭环反馈控制方法控制电机调节阀门开度，实现对测量装置内液体流量的自动调节，与现有技术相比，有效地提高了工控质量。

(2)本发明由于对测量装置进行流量标定时，采用三次样条插值标定法，能够在小流量区域时具有较高的测量精度，与现有技术相比，在保证测量精度的前提下扩宽了量程范围。

(3)本发明由于MCU主控电路模块，采用具有显示驱动功能的MCU最小系统，降低系统功耗的同时简化了电路设计，与现有技术相比，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明测量装置的电压放大电路等效原理图；

图3为本发明测量装置的低通滤波器原理图；

图4为本发明测量装置的电机驱动电路原理图；

图5为本发明测量装置的流量控制方法的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对发明作进一步详细说明：

参照图1，基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置，包括涡街流量探头、信号处理电路模块、电机驱动电路模块、限位电路模块、MCU主控电路模块和通讯模块，其中：

涡街流量探头选择不带法兰的输出信号为电荷信号的GLWT1涡街流量探头，将其固定在测量装置钝体的后侧，用于采集液体绕流钝体后在钝体后侧产生的涡街信号。

信号处理电路模块选用TLC27L4CN四级运算放大器，第一级设计为由容性阻抗构成的电荷放大器，其作用是将GLWT1涡街流量探头输出的微弱的电荷信号放大并正比例的转换为电压信号，主要分为偏置电路、输入级、中间级和输出级，其中输入级采用差动放大电路，中间级采用有源负载的共射负载电路，输出级采用互补可调对称输出电路；第二级为电压放大电路，用来将电荷放大器输出的微弱的电压信号进一步放大，弥补电荷放大器输出电压过低的不足，其等效电路图如图2所示；第三级设计为低通滤波器，用来对电压放大电路输出的电压信号进行滤波，消除杂波干扰，提高放大器的信噪比，得到较为平滑的正弦波信号，其电路原理图如图3所示；第四级设计为滞回比较器整形输出电路，用来将经过低通滤波器输出的较为平滑的正弦波信号转化成标准的电压方波信号，以此来供MCU识别和计数。

MCU主控电路模块与四个按键输入连接，采用具有显示驱动功能的MCU最小系统，包括LCD液晶显示、MCU、电源电路、时钟电路和JTAG接口，MCU选择具有超低功耗和自带LCD驱动功能的MSP430F4152芯片；四个按键用于对MCU主控电路模块的参数进行设置，从左到右依次编号为一、二、三和四，其功能分别对应：参数选择、参数值加、参数值减和确定；MCU主控电路模块将多个标准电压方波信号转化为瞬时流量并计算累计流量，并将输入的额定流量与瞬时流量比较，将比较结果发送给电机驱动电路模块。

通讯模块采用RS-485接口，芯片选用SP3485芯片，通讯协议采用工业领域的Modbus协议，其模式选为工业上常用的RTU模式，使其与目前工业上常用的Modscan32软件得到很好的兼容，提高了本发明和工业现有其他设备的兼容性、拓宽了其应用场合；通讯模块用于将得到的瞬时流量和累计流量发送到外界上位机显示，同时将外界上位机设定的额定流量发回MCU主控电路模块，此外，通过设置多个测量装置通讯模块的地址号，进行多点测量和组网，实现大区域整体流量的远程检测与控制。

电机驱动电路模块是两路光电耦合芯片MOC3081通过大功率可关断晶闸管BT139-800E控制电机实现的，其电路原理图如图4所示；其功能是根据MCU主控电路模块发送来的比较结果控制电机调节阀门开度，实现液体流量的自动调节。限位电路模块采用常开式干簧管电路和磁钢组成的自动开关，其中常开式干簧管电路固定在测量装置的基座上，磁钢固定在连接阀门和电机的转轴上，用于检测阀门的极限位置，避免阀门达到极限位置而卡死损坏测量装置。当测量装置内的流量需要增大时，通过外界上位机远程操作或MCU主控电路模块的按键调高额定流量值，此时MCU主控电路模块控制电机正转的输出端口输出高电平同时保持其控制电机反转的输出端口输出低电平，使电机驱动电路模块上的光电耦合芯片导通，进而通过导通的光电耦合芯片使晶闸管导通控制电机正转，电机经减速齿轮减速后调节阀门开度；当测量装置内的流量达到设定流量时，MCU主控电路模块给电机正转输出端置成低电平，关断晶闸管使电机停止转动，此过程采用闭环反馈调节；当测量装置内流量参数由于某种原因被设置的过大致使阀门先转到极限位置时，限位电路模块给MCU主控电路模块发送一个高电平信号，MCU主控电路模块在收到该高电平信号后立即将电机正转输出端置成低电平，关断晶闸管使电机停止转动，以防阀门卡死而损坏测量装置。当需要降低测量装置内的瞬时流量时，仍然是通过外界上位机远程操作或MCU主控电路模块的按键调低额定流量值，使MCU主控电路模块控制电机反转的输出端口输出高电平同时保持其控制电机正转的输出端口输出低电平，电机调节阀门开度过程与上述正好相反，这里不再赘述。当在电机带动阀门调节流量的过程中由于受到电压变动等某种原因致使测量装置内流量偏离了额定值时，需要对阀门进行回调，即电机由正转状态(或反转)切换到反转状态(或正转)，此时MCU主控电路模块控制电机输出端的电平变化过程为：先将正转(或反转)输出端的高电平信号置低，接着延时10ms确保当前导通晶闸管充分关断，然后再反转(或正转)输出端的低电平信号置高使电机换向。为达到系统整体的低功耗模式以及延长MCU主控电路模块供电电池的使用寿命，光电耦合芯片MOC3081以及限位电路的驱动电源采用220V交流电经降压、整流和稳压之后输出的5V直流电提供，为消除220V交流电源50Hz的工频信号对涡街信号的影响，需要将220V流电的地线经1uF的电容连接到整流桥的负极。

参照图2，信号处理电路模块的第二级电压放大电路，U₁为电荷放大器输出的微弱的电压信号，U_o为经电压放大电路放大后的电压信号，R₁和R₂为可调电阻，阻值范围为0～100KΩ，该级电压放大电路的放大倍数与R₁和R₂的取值有关，可以做到根据不同管道口径尺寸调整放大倍数。

参照图3，信号处理电路模块的第三级低通滤波器电路，Uin为电压放大电路的输出电压信号，Uout为经滤波器滤波后的较为平滑的正弦波信号，R₁₇选用6.8MΩ的电阻，R₁₃选用390Ω的电阻，R₁₆选用20KΩ的电阻，D₁和D₂选用二极管IN4148，C₁和C₂选用可变电容以根据实际实用情况对电路进行调整。此外，在滤波器的输入及输出端设置了二极管反馈式双向限幅放大电路，该限幅放大电路对电压放大以及低通滤波后的输出信号进行钳位，使得低通滤波器在低频段的电压放大倍数较高，为R₁₇/R₁₆；随着涡街频率的升高，当滤波器的输出电压高于二极管IN4148的钳位电压时，反馈电阻R₁₃取代了R₁₇，放大倍数变为R₁₃/R₁₆，滤波器便不再有放大作用，反而对信号起到衰减作用，从而进一步消除干扰，提高放大器的信噪比。

参照图4，电机驱动电路模块，S1和S2分别为控制电机正转和反转的输入信号，OUT1和OUT2分别驱动电机正转和反转的220V交流电输出信号，Power为220V交流电，U1和U2为MOC3081型光电耦合芯片，Q1和Q3选用BT139-800E型大功率可关断晶闸管，Q2和Q4选用8050S型三极管，R4和R10为阻值为390Ω的电阻。当MCU主控电路模块将S1(或S2)置为高电平信号时，三极管Q2(或Q4)导通，进而驱动光电耦合芯片U1(或U2)导通，220V交流电经过U1在R4(或R10)上产生一个能使晶闸管Q1(或Q3)导通的压降，控制晶闸管导通，使220V交流电经过该晶闸管在OUT1(或OUT2)端输出给电机，驱动电机正转(或反转)。该过程中三极管的作用为驱动并保持光电耦合芯片导通，光电耦合芯片的作用为将模拟信号与数字信号隔离消除干扰，由于其功率较低不能长时间驱动电机，所以需增加大功率可关断晶闸管电路。

参照图5，一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：对MCU主控电路模块进行初始化，初始化模块包括：MCU最小系统时钟初始化，端口引脚初始化，定时器初始化，通讯模块初始化，测量装置参数初始化；当系统开启后，需要对时钟源进行分配，本实施例主时钟使用1MHz晶振，辅助时钟ACLK选择LFXT1CLK，选择32.768KHz，定时器时钟源选择32.768KHz的辅助时钟，便于系统进入低功耗模式，系统第一次上电，须对测量装置参数进行出厂设置，将初始参数写入FLASH ROM中的相应地址，再次上电后直接从FLASH ROM中读取相应参数。

步骤2：判断测量装置是否已经流量标定，如果已经标定，则不需要再进行标定，否则，需要进行标定，测量装置的流量标定采用三次样条插值标定法，将待标定测量装置和标准流量计串联，然后将标准流量计流量设定为其量程的一定百分比(如10％，20％，…，90％和100％)，此时待标定测量装置的MCU主控电路模块将计数标准电压方波信号，即涡街频率，逐段统计标准流量计瞬时流量值v和其对应的测量装置的标准电压方波个数f，并将得到的各个量程段的瞬时流量值和方波数通过外界上位机或按键输入到MCU主控电路模块，通过三次样条插值算法计算涡街信号与瞬时流量值的函数关系V(f)，完成标定；按键输入步骤如下：

步骤2a：系统上电，初始化测量装置就绪；

步骤2b：调整标准流量计阀门开度，使流量达到标准流量计预设的分段点；

步骤2c：点击第二个按键，待标定测量装置将开始采集方波数，并持续20秒，LCD显示屏左侧显示秒数，右侧显示当前方波数，每1秒刷新一次；

步骤2d：采集完成后，点击第三个按键，将顺序显示刚才采集的20个方波数，每4秒刷新一次，此时需记录采集到的方波数与对应的瞬时流量值；

步骤2e：重复步骤2b～2d，完成各个分段点的方波数采集；

步骤2f：点击第一个按键，进入设置模式，分别输入分段点的瞬时流量值和方波数，点击第四个按键，完成测量装置标定，进入工作状态；

步骤3：MCU主控电路模块将信号处理电路模块对涡街流量探头输出的电荷信号进行电荷/电压转换、电压放大、滤波和整形后得到标准电压方波个数，即涡街频率，代入涡街信号与瞬时流量值函数关系V(f)，得到瞬时流量值，同时计算累计流量值；

步骤4：通讯模块将得到的瞬时流量值和累计流量值发送到外界上位机显示，同时将在外界上位机上设定的额定流量值发送回MCU主控电路模块；

步骤5：MCU主控电路模块比较额定流量值和瞬时流量值的大小，并将比较结果发送给电机驱动电路模块，驱动电机调节阀门开度，实现流量自动调节，在此过程中采用闭环反馈调节方法，实现步骤如为：

步骤5a：若额定流量值大于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机增大阀门开度，限位电路模块当检测到阀门达到极大位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

步骤5b：若额定流量值小于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机减小阀门开度，限位电路模块当检测到阀门达到极小位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

步骤5c：若额定流量值等于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块停止电机对阀门开度的调节。

Claims (1)

1.一种基于钝体绕流现象的高压液体流量测量装置的控制方法，其特征在于，是通过涡街流量探头、信号处理电路模块和MCU主控电路模块实现的；涡街流量探头，用于采集管道内液体的涡街信号并将其转化为电荷信号；信号处理电路模块，采用四级运算放大器，用于对涡街流量探头输出的电荷信号实现信号转换；所述MCU主控电路模块，用于将得到的多个标准电压方波信号转换为瞬时流量值，同时计算累计流量值，并实现对测量装置的控制，所述MCU主控电路模块，采用具有显示驱动功能的MCU最小系统，其输入端连接有限位电路模块，用于检测阀门的极限位置，该MCU主控电路模块的输出端连接有电机驱动电路模块，用于驱动电机带动阀门调节液体的流量，该MCU主控电路模块的通讯端连接有通讯模块，用于和外界上位机实时传输流量数据并实现多点测量和组网特性，具体实现步骤为：

(1)对MCU主控电路模块进行初始化；

(2)初始化的MCU主控电路模块采用三次样条插值标定法，对测量装置进行流量标定，得到涡街信号与瞬时流量值的函数关系V(f)，实现步骤为：

2a)将测量装置的量程范围划分为多个量程段；

2b)根据标准流量计瞬时流量值v，统计多个量程中每个量程段的标准电压方波个数f；

2c)利用标准流量计瞬时流量值v和每个量程段的标准电压方波个数f，计算涡街信号与瞬时流量值的函数关系V(f)；

(3)信号处理电路模块对涡街流量探头输出的电荷信号进行电荷/电压转换、电压放大、滤波和整形，得到多个标准电压方波信号；

(4)MCU主控电路模块将得到的标准电压方波信号的个数代入涡街信号与瞬时流量值函数关系V(f)，得到瞬时流量值，同时计算累计流量值；

(5)通讯模块根据其设置的地址号，将得到的瞬时流量值和累计流量值发送到外界上位机显示，同时将在外界上位机上设定的额定流量值发送回MCU主控电路模块；

(6)MCU主控电路模块比较额定流量值和瞬时流量值的大小，并将比较结果发送给电机驱动电路模块，实现流量自动调节，实现步骤为：

6a)若额定流量值大于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机增大阀门开度，限位电路模块当检测到阀门达到极大位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

6b)若额定流量值小于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块控制电机减小阀门开度，限位电路模块当检测到阀门达到极小位置时，给MCU主控电路模块发送一个电平信号，控制电机停止转动；

6c)若额定流量值等于瞬时流量值，MCU主控电路模块通过电机驱动电路模块停止电机对阀门开度的调节。