CN2188754Y

CN2188754Y - 单片机流量计校正装置

Info

Publication number: CN2188754Y
Application number: CN 93237294
Authority: CN
Inventors: 曹云乾; 崔亦飞; 韩志刚
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2003-07-16

Abstract

一种新型的单片机流量计校正装置，是由流量和压力I/V转换电路，温度信号输入电路，大气压调整电路，8098单片机及外围线路，校正后流量输出电路所组成。8098单片机在软件控制下，进行对流量、压力、温度、大气压四路信号的采集，并根据对存贮在 EPROM中的函数表格和算式的查询和计算，得出校正后的流量值，再以模拟信号的形式输送给原流量计进行计量。本实用新型作为原流量计的辅助输入装置，不需改动原流量计，就可使其具备自动校正功能，提高计量准确度。

Description

本实用新型涉及气体流量的计算机校正技术。

现有的流量计，由于气体压力、温度的变化，使得气体密度发生了变化，这样流量计所计量的流量值就要产生偏差，这种偏差最高时可达到20％～40％。以前处理这类情况，是利用温度表、压力表上的读数靠人工查表计算出流量校正值，这种处理方法不仅浪费人力和时间，而且只能求得一段时间的统计平均值，并且误差较大。目前国内外相继出现了对温度、压力校正的流量计量系统，但价格昂贵，使多数厂矿企业难以更新流量计量设备。就目前已有的现代化计量系统，多属大的集散型系统，用PC／XT、PC／286等管理控制；属于小系统的则用8031、Z－80等单片机、单板机加上A／D转换器，其结构也较为复杂，集成化成度也不高，体积较大，使用不灵活。

本实用新型的目的就是提出一种以8098单片机为核心的单片机流量计校正装置，只需附加在原流量计量设备上，就可使原流量计量设备具备智能校正功能。这样，原流量计仍可利用，计量准确度又得以提高，大大节省了企业资金。

本实用新型是由电源电路、流量和压力I／V转换电路、大气压调整电路、温度信号输入电路、单片机（8098）及外围线路、校正后流量输出电路等组成，作为原流量计量设备的辅助输入装置。由原设备中流量变送器、压力变送器送来的流量信号和压力信号，经流量和压力I／V转换电路，输入到单片机（8098）A／D转换的两模拟信号输入端。由大气压调整电路输出的大气压力校正信号和由温度信号输入电路产生的温度信号送单片机（8098）A／D转换的另两个模拟信号输入端。温度信号输入电路包括电桥电路和两级运算放大器，采用铂热电阻作为气体温度传感器接入电桥的一桥臂上。单片机（8098）及外围线路包括8098单片机、锁存器、EPROM程序存贮器、反相器等。8098单片机不仅具有数据计算处理能力，而且有四路带保持器的10位A／D转换器的高速输入端口及高速输出端口；锁存器用来锁存单片机输出的低八位地址以提供EPROM寻址用；固化在EPROM中的软件包括单片机的控制、计算、处理程序，以及流量校正运算公式和气体密度与压力、温度的函数表格；单片机（8098）的内部RAM区用于存放数据和处理结果。这样，8098单片机上电复位后，根据固化在EPROM中的软件控制，自动地进行对流量、压力、大气压、温度信号的采集，通过查表运算，得出校正后的流量值。校正后流量值由8098单片机的HSO高速输出口输出，输出信号为连续脉宽调制脉冲信号PWM，该信号经校正后流量输出电路，变换成标准的电流信号，直接接入原流量计量设备中的流量计算器进行流量计量。校正后流量输出电路包括：整形、滤波、电压幅度调整、V／I转换及扩流电路。

本实用新型不改动原流量计，连线简单，可安装在原Ⅱ型表壳内，易于现场工作人员掌握使用。本装置除对气体的压力、温度对流量计量造成的偏差不断地进行校正外，还有大气压强校正。这是因为当气体压力低时，大气压的大小对流量的影响较大，故当气体压力低于大气压之值时，采集大气压之值进行校正计算，可大大降低因不同季节、气候、不同海拔高度大气压不同所造成的计量误差。此外，本装置采用软件分段处理，来解决铂热电阻R－T曲线非线性问题；当气体的温度或压力超出校正范围时，由软件查表自动改变计算公式，按饱和气体进行校正计算，这就大大拓宽了原流量计的适应范围，减小计量误差。由于本装置采用的单片机为8098，整个电路简化，性价比提高，体积小，计算处理速度快，精度高，并在软、硬件电路采取了抗干扰措施，保证了计量准确、稳定、可靠。使用本实用新型，可使原流量计的计量误差在0.5％以下。

附图1为本实用新型的电源电路图。

附图2为本实用新型的流量I／V转换电路图。

附图3为本实用新型的压力I／V转换电路图。

附图4为本实用新型的温度信号输入电路图。

附图5为本实用新型的大气压调整电路图。

附图6为本实用新型的8098单片机及外围线路的电气原理图。

附图7为本实用新型的校正后流量输出电路图。

附图8为本实用新型的装置总框图。

本实用新型的实施例结合附图作进一步说明。

如附图1所示，220V交流电压经电源电路后，得到2个＋5V直流电压、±12V直流电压和＋30V直流电压。图中变压器B₁的输出端A₁、A₂两端对地输出为7.5V，电容C₁₂、二极管D₆、D₇和电容C₁₃、二极管D₁₀、D₁₁为倍压电路。

流量I／V转换电路是由电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、电容C₆、二极管D₃、D₄和开关S₁构成，流量信号输入端分别经R₁₆、S₁接地，经R₁₇接地，经C₆接地，经反接D₃接地和经顺接D₄接＋5V；再经R₁₈输出接U₆（8098）的43端（ACH4）。当流量变送器1送来的流量信号为0～10mA标准信号时，S₁打开，标准电流信号经I／V转换电阻R₁₇、滤波电容C₆和限流电阻R₁₈后输出0～5V电压信号；当流量变送器1送来的流量信号为4～20mA标准信号时，S₂合上，标准电流信号经I／V转换电阻R₁₆∥R₁₇、滤波电容C₆和限流电阻R₁₈后输出0～5V电压信号。二极管D₃、D₄起限幅作用。流量I／V转换电路输出的0～5V电压信号送U₆的43端（ACH₄）。

压力I／V转换电路是由电阻R₃₁、R₃₂、R₃₃、电容C₄、二极管D₁₂、D₁₃和开关S₂构成，压力信号输入端分别经R₃₁、S₂接地，经R₃₃接地，经C₄接地，经反接D₁₃接地和经顺接D₁₂接＋5V，再经R₃₃输出接U₆的40端（ACH₆）。当压力变速器2送来的压力信号为0～10mA标准信号时，S₂打开，标准电流信号经I／V转换电阻R₃₂、滤波电容C₄和限流电阻R₃₃后输出0～5V电压信号；当压力变送器2送来的压力信号为4～20mA标准信号时，S₂合上，标准电流信号经I／V转换电阻R₃₁∥R₃₂、滤波电容C₄和限流电阻R₃₃后输出0～5V电压信号。二极管D₁₂、D₁₃起限幅作用。压力I／V转换电路输出的0～5V电压信号送U₆的40端（ACH₆）。

大气压调整电路是将＋5V电压经串接电阻R₁₉、可调电位器W₃、电阻R₂₀接地，从W₆的可调端分压输出的大气压力校正信号分别经滤波电容C₅接地和接U₆的41端（ACH₇）。

温度信号输入电路是由电桥电路和两级运算放大器组成。电桥电路是由桥臂电阻R₁、R₂、R₃、可调电位器W₁、W₂构成，作为气体温度传感器的铂热电阻R_P接入R₃桥臂上，电桥输出送由运放U₁（OP07）、电阻R₄、R₅、R₆、R₇构成的差动放大器，其中：电桥输出的两端分别经R₄接U₁的2端和经R₅接U₁的3端，U₁的4端接－12V，U₁的7端接＋12V，U₁的3端经R₇接地，U₁的2端经R₆接其6端，U₁的6端输出送由运放U₂（OP07）、电阻R₈、R₉、R₁₀构成的反相放大器。即将U₁的6端输出经R₈接U₂的2端，U₂的3端经R₁₀接地，U₂的4端接－12V，7端接＋12V，2端经R₉接其6端。这样，通过电桥对铂热电阻R_P的测量，得到与之相应的温度信号，经差动放大器进行变换（双端变单端信号），再经反相放大器进行放大，得到0～5V的正信号，该电压信号经电阻R₁₁、电容C₂₆耦合、电容C₂₇滤波后送U₆的42端（ACH₅）。二极管D₁和D₂起限幅作用。铂热电阻阻值随温度变化的非线性问题是通过软件分段处理方法进行解决。

参考附图6：8098单片机及外围线路是由8098单片机U₆、锁存器U₇（74LS373）、EPROM程序存贮器U₈（2764）、反相器U₅：A（CD4049）等组成，是将U₆的四路带保持器的10位A／D转换器的高速输入端口ACH₄～ACH₇接四路输入信号；U₆的36、35两端接由晶振CRY、电容C₉、C₁₀构成的时钟电路；U₆的48端接由电阻R₂₂、电容C₁₁、二极管D₅构成的自动上电复位电路；U₆的37端、39端、44端接地；U₆的46端接＋5V；U₆的12端经电容C₈接地；U₆的参考电压输入端45端分别经电阻R₂₁接＋12V，经可调电位器W₆接地，经精密稳压器To（LM336－5）接地，To的1端接W₆的可调端；U₆的34端（ALE线）接U₇的11端；U₆的19端（AD₁₃）经反相器U₅：A接U₈的片选端20端；U₆的33端（

线）接U₈的22端（

端）；U₆的八位数据总线AD₀～AD₇，即U₆的25～32端分别接U₈的数据总线D₀～D₇和接U₇的输入端D₀～D₇，U₇的输出端Q₀～Q₇接U₈的低八位地址线A₀～A₇；U₆的20端（AD₈～AD₁₂）接U₈的高五位地址线A₈～A₁₂；U₇的1端接地；U₈的1端和27端接＋5V；U₆的高速输出端7端（HSO）接校正后流量输出电路。

单片机U₆内A／D转换器参考电压＋5.12V是由＋12V通过LM336－5稳压后得到。U₆的数据总线上接上拉电阻R₂₃～R₃₀为抗干扰采取的措施，当无信号时，D₀～D₇为FFH，是返回指令RET，防止程序“跑飞”。在EPROM中存放着单片机U₆的控制、计数、处理程序，以及流量校正运算公式和气体密度与压力、温度的函数表格。以蒸汽为例：通过蒸汽密度与压力、温度函数表的寻查，得到密度γ，根据Q＝Q′

\sqrt{r/r_{a}}

算式得到校正后的流量Q，Q′为所测流量，γ₀为流量计规定的工作压力、温度下的蒸汽密度。对于其他种类气体，都有类似不同的运算公式和函数表格。这样，单片机U₈上电复位后，根据固化在EPROM中的软件控制，自动地进行对流量、压力、大气压、温度信号的采集，通过查表运算，得出校正后的流量值，该流量以连续脉宽调制脉冲信号PWM，经U₆的7端（HSO）输出送校正后流量输出电路。软件采用定时中断查寻方式进行采数、计算和送数，以保证连续不断地输出校正后的流量信号。

校正后流量输出电路包括：整形、滤波、电压幅度调整、V／I转换及扩流电路。单片机U₆的7端输出的PWM信号，通过CD4049的两个非门U₅：B、U₅：C的整形后，由电阻R₁₂、电容C₁平滑滤波，然后输入到运放U₃的3端，进行幅度调整。由运放U₃（OP07）、电阻R₁₃、电容C₂、可调电位器W₄构成的电压幅度调整电路，是将U₃的2端经R₁₃接地，经W₄接其6端；4端接－12V，7端接＋12V；6端输出分别接W₄的可调端，经C₂接地，经电阻R₁₄送U₄的3端。V／I转换及扩流电路是由运放U₄（OP－07），可调电位器W₅、功率三极管T₁构成，U₄的2端接T₁的发射极和W₅的可调端，U₄的4端接－12V，U₄的7端接＋12V，U₄的6端输出接T₁的基极，T₁的发射极经W₅接地，T₁的集电极输出接至原流量计3的负输入端，原流量计3的正输入端经电阻R₁₅接＋30V，和经滤波电容C₃接地。这样，经幅度调整后的0～5V电压信号经V／I转换及扩流电路后，输出标准的0～10mA或4～20mA的电流信号，作为校正后的流量信号直接送入原流量计进行流量计量。

Claims

1、一种单片机流量计校正装置，是由电源电路、流量和压力I/V转换电路、大气压调整电路、温度信号输入电路、8098单片机及外围线路、校正后流量输出电路等组成，拟作为原流量计量设备的辅助输入装置；将原设备中流量变送器、压力变送器送来的流量信号和压力信号，经流量和压力I/V转换电路，输入到单片机(8098)A/D转换的两模拟信号输入端；由大气压调整电路输出的大气压力校正信号和由温度信号输入电路产生的温度信号送单片机(8098)A/D转换的另两个模拟信号输入端；8098单片机的HSO高速输出口输出的信号经校正后流量输出电路，得到标准的电流信号，直接接入原流量计量设备中的流量计算器进行流量计量；其特征在于：

a.220V交流电压经电源电路得到±12V直流电压、+30V直流电压和2个+5V直流电压；

b.由电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、电容C₆、二极管D₃、D₄和开关S₁构成的流量I/V转换电路，是将连接由原设备中流量变送器(1)送来的流量信号的输入端，分别经R₁₆、S₁接地，经R₁₇接地，经C₆接地，经反接D₁₃接地和经顺接D₄接+5V，再经R₁₈输出至U₆的43端(ACH₄)；

c.由电阻R₃₁、R₃₂、R₃₃、电容C₄、二极管D₁₂、D₁₃和开关S₂构成的压力I/V转换电路，是将连接由原设备中压力变送器(2)送来的压力信号的输入端，分别经R₃₁、S₂接地，经R₃₂接地，经C₄接地，经反接D₁₃接地和经顺接D₁₂接+5V，再经R₃₃输出接U₆的40端(ACH₆)；

d.大气压调整电路是将+5V电压经串接电阻R₁₉、可调电位器W₃、电阻R₂₀接地，并从W₃的可调端分压输出，分别经滤波电容C₅接地和接至U₆的41端(ACH₇)；

e.由电桥电路和两级运算放大器组成的温度信号输入电路，是在由桥臂电阻R₁、R₂、R₃、可调电位器W₁、W₂构成的电桥电路中，把作为气体温度传感器的铂热电阻R_P接入R₃桥臂，电桥输出经一级差动放大器变换和经一级反相放大器放大后，再经电阻R₁₁、电容C₂₆耦合、电容C₂₇滤波后送U₆的42端(ACH₅)；

f.由8098单片机U₆、锁存器U₇(74LS373)、EPROM程序存贮器U₈(2764)、反相器U₅∶A(CD4049)等组成的8098单片机及外围线路，是将U₆的四路带保持器的10位A/D转换器的高速输入端口ACH₄～ACH₇接四路输入信号，U₆的36、35两端接由晶振CRY、电容C₉、C₁₀构成的时钟电路，U₆的48端接由电阻R₂₂、电容C₁₁、二极管D₅构成的自动上电复位电路，U₆的37端、39端、44端接地，U₆的46端接+5V，U₆的12经电容C₈接地，U₆的45端接A/D转换器的参考电路产生的+5.12V电压，U₆的34端(ALE线)接U₇的11端，U₆的19端(AD13)经反相器U₅∶A接U₈的片选20端，U₆的33端(RD线)接U₈的22端(

端)，U₆的25端～32端(数据总线AD₀～AD₇)分别接U₈的数据总线D₀～D₇和接U₇的输入端D₀～D₇，U₇的输出端Q₀～Q₇接U₈的低八位地址线A₀～A₇，U₆的20～24端(AD₈～AD₁₂)接U₈的高五位地址线A₈～A₁₂，U₇的1端接地，U₈的1端和27端接+5V，U₆的高速输出端7端(HSO)接校正后流量输出电路；

g.由整形、滤波、电压幅度调整、V/I转换及扩流电路构成的校正后流量输出电路是将U₆的7端输出通过两个非门(CD4049)U₅∶B和U₅∶C的整形后，由电阻R₂₁、电容C₁平滑滤波，再经电压幅度调整电路，使幅度调整后的电压信号经V/I转换电路和由功率三极管构成的扩流电路后，输出标准电流信号接原流量计(3)的负输入端，原流量计(3)的正输入端经电阻R₁₅接+30V电压，和经滤波电容C₃接地。

2、根据权利要求1所述的流量计校正装置，其特征在于：温度信号输入电路中的差动放大器是由运放U₁（OP－07）、电阻R₄～R₇构成，它是将电桥输出的两端分别经R₄接U₁的2端，经R₅接U₁的3端，U₁的4端接－12V，U₁的7端接＋12V，U₁的3端经R₇接地，U₁的2端经R₆接其6端，U₁的6端输出经电阻R₈送反相放大器中U₂的2端；由运放U₂（OP－07）、电阻R₈～R₁₀构成的反相放大器，是将U₂的3端经R₁₀接地，U₂的4端接－12V，U₂的7端接＋12V，U₂的2端经电阻R₉接其6端，U₂的6端输出为0～5V的正信号。

3、根据权利要求1所述的流量计校正装置，其特征在于：接于U₆的45端的A／D转换器的参考电压电路是由电阻R₂₁、可调电位W₆、精密稳压器To（LM336－5）构成，其连接线路是：U₆的45端分别经R₂₁接＋12V，经W₆接地，和经To接地，To的1端接W₆的可调端。

4、根据权利要求1所述的流量计校正装置，其特征在于：校正后流量输出电路中的电压幅度调整是由运放U₃（OP07）、电阻R₁₃、电容C₂、可调电位器W₄构成，是将U₃的3端作为信号输入端，U₃的2端经R₁₃接地，经W₄接其6端，U₃的4端接－12V，U₃的7端接＋12V，U₃的6端分别接W₄的可调端和经C₂接地，U₃的6端输出的0～5V电压信号经电阻R₁₄送U₄的3端；由运放U₄（OP07）、可调电位器W₅、功率三极管T₁构成的V／I转换及扩流电路，是将U₄的2端接T₁的发射极和W₅的可调端，U₄的4端接－12V，U₄的7端接＋12V，U₄的6端接T₁的基极，T₁的发射极经W₅接地，T₁的集电极输出为标准的0～10mA或4～20mA的电流信号。

5、根据权利要求1所述的流量计校正装置，其特征在于：当流量变送器（1）送来的流量信号为0～10mA时，流量I／V转换电路中的开关S₁打开；当流量变送器（1）送来的流量信号为4～20mA时，S₁合上，流量I／V转换电路的输出均为0～5V电压信号；同样，当压力变送器（2）送来的压力信号为0～10mA时，压力I／V转换电路中的开关S₂打开，当压力变送器（2）送来的压力信号为4～20mA时，S₂合上，压力I／V转换电路的输出均为0～5V电压信号。

6、根据权利要求1所述的流量计校正装置，其特征在于：U₆的数据总线上接上拉电阻R₂₃～R₃₀为抗干扰措施。