基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)的設計研究

文方哲 郝少飛 尚永爽

摘要：為滿足不同應用場所和情境的計量需要，探討基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設計方法。首先，從系統(tǒng)設計著手，闡述系統(tǒng)架構、軟硬件和功能板塊的具體設計內(nèi)容；其次，針對系統(tǒng)軟硬件和電路說明設計實現(xiàn)方式；最后，評估分析所設計的智能流量儀是否能夠維持穩(wěn)定工作狀態(tài)，就穩(wěn)定性和準確度予以測試。

關鍵詞：磁電傳感器；智能流量儀；設計

一、前言

流量儀是計量石化產(chǎn)品的高精度儀器，傳統(tǒng)儀器設備受到外部物質(zhì)進入管道的影響，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)計量誤差大的問題，精度難以保證。通過引入磁電傳感器，打破光纖渦輪流量傳感器的測量局限，以此設計的流量儀量程和峰值信噪比大大提升，切實滿足寬量程流量的測量需要。與此同時，可提高結(jié)構精度、可靠性，使得功能愈加完善，契合航油市場計量的要求。為此，研究基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設計十分必要。

二、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)的核心處理器為STM32，其中包含藍牙模塊、NB-IOT、存儲數(shù)據(jù)模塊、流量計量模塊、LCD液晶顯示模塊以及電源模塊[1]。所設計的流量計屬于螺桿流量計，由智能流量顯示儀和螺桿計量腔體構成。其中，智能流量顯示儀中將輸入的電訊號處理為數(shù)據(jù)的器件為放大器和感應器，其能夠計算調(diào)整規(guī)定的數(shù)據(jù)模型，并顯示出標準體積量、壓強和水溫等被測介質(zhì)相關技術參數(shù)。設計與RS485標準通信接口、模擬信號輸入輸出的裝置。藍牙接口負責收集流量計數(shù)據(jù)和進行參數(shù)配置與修改，連接平板電腦以及NB-IOT網(wǎng)絡后與服務器形成通路，以此將測得的相關數(shù)據(jù)顯示在WEB界面上[2]。

（二）軟件設計

軟件架構由應用層、功能模塊層、設備列表層、驅(qū)動層和硬件抽象層構成。其中，應用層為業(yè)務邏輯；功能模塊層中是第三方代碼和功能實現(xiàn)，包含脈沖輸出、按鍵輸出、顯示和計量等所有功能模塊；設備列表完成設備注冊，綁定驅(qū)動和設備號，根據(jù)設備號完成對應驅(qū)動接口調(diào)用；驅(qū)動層中包含驅(qū)動邏輯、驅(qū)動實例、初始化和硬件接口[3]。驅(qū)動邏輯中的代碼對應控制、關閉、打開和讀寫，由初始化模塊完成初始化操作，驅(qū)動實例內(nèi)的元素。IIC、GPIO、SPI是驅(qū)動所應用的硬件接口類型。

（三）硬件設計

硬件架構中設計24V DC供電1路24V DC輸出1路5V DC輸出（隔離保護）、24V輸出（保護）、4-20mA輸出電路（隔離保護）、RS232通訊電路（隔離保護 排線連接 可選模塊）、RS485通訊電路（隔離保護）、3路開關量輸入電路（隔離保護）、2路報警信號輸出電路（隔離保護）、3路脈沖開集輸出電路（隔離保護）、24V-3.3V電源轉(zhuǎn)換電路（LDO 24V保護）、5V-3.3V電源轉(zhuǎn)換電路（LDO）、I/O端口與I/O冗余、EEPROM（512Byte標定數(shù)據(jù)及掉電數(shù)據(jù)保存）、F-RAM（1MB用戶數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)保存）、計量測量及溫差補償電路（需保護）、外部RTC（紐扣電池供電）、MCU、顯示控制器（串行接口）、液晶屏幕（背光LED、半反半透、點陣）、光電接口電路（LED限流）、按鍵接口。

DC/DC模塊轉(zhuǎn)換12-24V電壓，使之經(jīng)過濾波變?yōu)榉€(wěn)定的3.3V、5V、24V電壓，分別實現(xiàn)為主控單元供電、作為DAC基準電壓和為RS485模塊供電的作用目標。經(jīng)過整形濾波操作后，脈沖信號將進入主控單元，功能管腳被定時捕獲[4]。主控單元與SPI口相連，接收經(jīng)ADC的4-20mA輸入電流，在輸出控制系統(tǒng)的作用下，系統(tǒng)受外界干擾的可能性大幅降低。經(jīng)過隔離處理后，主控單元與UART和RS485模塊完成連接。

（四）功能板塊設計

外部中斷和定時器讀取脈沖信號的周期脈沖數(shù)和頻率，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，計數(shù)后存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲完畢后，繼續(xù)進行下一任務。測量溫度和壓力后，得到工況流量，修正所得結(jié)果，轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴鼠w積，完成流量計量處理。

顯示功能菜單中的菜單號和頁面號的對應關系是：PO-00、PO-09，能夠顯示出單量、壓力、溫度、流量、總量。用戶參數(shù)中菜單號、頁面號和顯示內(nèi)容的對應關系是：菜單號為P1，頁面號為00-22，完成用戶密碼輸出、工況流量顯示、用戶調(diào)差系數(shù)顯示、設置ModBus地址、標準脈沖輸出方式與單位顯示、標況壓力與溫度顯示設置等功能。工廠參數(shù)中菜單號、頁面號和顯示內(nèi)容的對應關系是：菜單號P2，頁面號00-12，顯示或修正流量修正點1-10的系數(shù)、顯示設置排量系數(shù)和工廠密碼；菜單號P3，頁面號00-12，顯示設置流量修正點1-10的頻率、顯示設置頻率設置方式；菜單號P4，頁面號00-11，顯示設置電池驅(qū)動脈沖輸出方式、反向流量極端方式、壓力補償修正點1x、1y、2x、2y的值。

按鍵功能處理由創(chuàng)建按鍵實例開始，初始化按鍵按下邏輯電平和觸發(fā)時間，注冊按鍵事件處理回調(diào)，利用掃描讀取按鈕全部狀態(tài)，而后在事件回調(diào)機制的支持下，將按鈕事件報告完畢。按鍵功能支持手動消抖、長按、短按和單連擊。操作界面中包括Enter鍵、Up鍵、Shift鍵、Mode鍵，分別支持參數(shù)設置確定以及復位頁面、調(diào)整頁面號及數(shù)字累加、調(diào)整設置位、放棄參數(shù)設置以及顯示調(diào)整頁面號。切換菜單的操作包括P0-P4五個界面，單擊Enter鍵進入P0界面；在任意菜單顯示模式下，點擊Shift+Mode鍵進入P1界面；點擊Mode+Up鍵切換P2、P3、P4界面（在P2、P3、P4任意界面中）。

脈沖輸出處理流程為：定時器中斷服務函數(shù)，判定應發(fā)脈沖數(shù)是否大于0，當結(jié)果為大于0時，應發(fā)脈沖數(shù)-1，發(fā)送一個脈沖，完成PWM整個周期的數(shù)據(jù)更新；若結(jié)果為非大于0，則無法繼續(xù)后續(xù)流程。

電流輸出處理的流程為：計算流量，由DA控制輸出流量換算結(jié)果，完成輸出任務。

藍牙功能操作流程為：由接收器搜索附近藍牙，匹配成功后連接藍牙，由藍牙接口讀取設備參數(shù)、標準體積量、壓力、溫度等顯示儀數(shù)據(jù)，顯示出智能流量顯示儀中的各項參數(shù)和數(shù)據(jù)，判斷是否按下設置鍵，若結(jié)果為Y，則輸入密碼，輸入正確并檢測到硬開關打開后設置并應答成功；若結(jié)果為N，則無法設置。同時，若輸入不正確、硬開關檢測到并未打開也無法設置。

三、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)實現(xiàn)

（一）軟件結(jié)構

軟件功能體現(xiàn)在應用層、功能模塊層、設備列表層、驅(qū)動層和抽象層上，根據(jù)項目間所存在的復用特點，存放重復部分，并存儲統(tǒng)一框架中。經(jīng)抽象層抽象的硬件，將硬件接口細節(jié)隱藏于特定平臺，與此同時，實現(xiàn)細節(jié)也在硬件驅(qū)動模塊中被隱藏，并完成硬件訪問服務目標。設備列表層綁定極驅(qū)動和設備號，驅(qū)動接口依據(jù)設備號調(diào)節(jié)調(diào)用。以上五層層層接口相連，相互調(diào)用可用信息。

切換菜單結(jié)構中模式中密度清除界面、預制加確認的密度預置界面、清除單量清除界面、預支單量預置界面的個界面，運用手動切換形式，采取向下或者向上的切換操作，完成分界面進入確認任務。所設計的菜單結(jié)構能夠切換設計不同頁碼數(shù)的分界面，實現(xiàn)多界面互切。菜單與頁碼切換利用UP↑或DOWN↓按鍵調(diào)整頁碼，利用UP↑+ENTER?或者DOWN↓+ENTER?調(diào)整菜單。參數(shù)設置點擊按鍵SHIFT→進入?yún)?shù)設置或調(diào)整設置位，點擊按鍵UP↑或DOWN↓調(diào)整參數(shù)位，點擊ENTER?確認操作，點擊UP↑+DOWN↓放棄操作。在主界面點擊預置為進入單量預置界面，點擊清除進入單量清零界面，點擊模式進入歷史數(shù)據(jù)界面，點擊預置+確認進入密度預置界面。

（二）硬件結(jié)構

硬件結(jié)構中包含用戶接線板、NB模塊板、主板、LCD顯示模塊板和面板。經(jīng)過拓撲后，圖中將清晰顯示報警脈沖輸出、低電壓、開關輸入量、主板、按鍵和模組。提供主板電壓的為電源模塊，通過按鍵切換不同模塊。主板負責電壓控制，電壓具體值和控制結(jié)果顯示在顯示模組中。主板中的主要組成零件為電源、用戶端子、顯示器、壓力傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、輸入電路、數(shù)據(jù)存儲器和微控制器。使用低能耗微控制器，借助FLASH和FRAM存儲數(shù)據(jù)，與SPI共同使用通訊線。輸入電路接收壓力、溫度和轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)雙路輸出的轉(zhuǎn)速傳感器，實現(xiàn)3.3V供電。硬件結(jié)構中可選電源為3.4V-24V，運用四線制為壓力傳感器供電。

掉電保護模塊中借助DC-DC5V隔離模塊將電源轉(zhuǎn)換為2路不同類型，經(jīng)LDO變壓作用，輸出2.5V和3.3V電壓。其中，2.5V是供給模擬信號電壓，如若出現(xiàn)掉電問題，數(shù)據(jù)保存由儲能電容完成。3.3V是供給外部存儲器、脈沖輸出、藍牙、LCD顯示和主控系統(tǒng)的電壓。電流輸出模塊中的輸出量與實時流量相關，當處于4-20mA范圍內(nèi)，流量0與4mA對應，最大支持流量與20mA對應。以內(nèi)部上拉或推挽形式輸出脈沖，短路電流的最大值為10mA，開路電壓的最大值為40V。運用四線制輸出4-20mA電流的方式，實現(xiàn)電流輸出功能。

溫度補償是在集成電路的作用下，放大熱電偶和熱電阻的信號，并完成電流轉(zhuǎn)換，將電流值控制在4-20mA范圍內(nèi)。熱電偶冷端補償要在環(huán)境溫度測量后實現(xiàn)。

脈沖信號鏈路模塊功能實現(xiàn)是在調(diào)試電路作用下，轉(zhuǎn)變電流信號，在轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟊徊杉苯觽鬏斨罙DC采集模塊中。

四、基于磁電傳感器的智能流量儀系統(tǒng)測試

為綜合測試所設計的智能流量儀的性能，需從儀器測定結(jié)構穩(wěn)定性和準確性兩個角度予以展開。

首先，測試流量轉(zhuǎn)換器讀取脈沖信號的準確度，設計驗證試驗，配備光電發(fā)訊器調(diào)試電機組、直流電機及調(diào)速器、EMT1光電發(fā)訊器、12V光電發(fā)訊器、流量轉(zhuǎn)換器、脈沖計數(shù)器和直流電源。將脈沖計數(shù)器、流量轉(zhuǎn)換器和EMT1光電發(fā)訊器連接，EMT1光電發(fā)訊器轉(zhuǎn)軸與直流電源連接，通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，測定脈沖計數(shù)器和流量轉(zhuǎn)換器的計數(shù)值。連接脈沖計數(shù)器、流量轉(zhuǎn)換器和12V光電發(fā)訊器，調(diào)試電機組，維持電機不同轉(zhuǎn)速下工作一定時間（大氣壓力為2.5MPa），測定脈沖計數(shù)器和流量轉(zhuǎn)換器具體計數(shù)值。經(jīng)過試驗，在光電發(fā)訊器試驗狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)速為400r/min時，脈沖計數(shù)器計數(shù)值為10497，流量轉(zhuǎn)換器計數(shù)值為10497；在轉(zhuǎn)速為600r/min時，脈沖計數(shù)器計數(shù)值為35478，流量轉(zhuǎn)換器計數(shù)值為35478。在12V光電發(fā)訊器試驗狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)速為400r/min時，脈沖計數(shù)器計數(shù)值為22189，流量轉(zhuǎn)換器計數(shù)值為22189；在轉(zhuǎn)速為600r/min時，脈沖計數(shù)器計數(shù)值為59621，流量轉(zhuǎn)換器計數(shù)值為59621。可以看出，流量轉(zhuǎn)換器的計數(shù)值準確度達標。

其次，針對流量精確度進行試驗，使用4臺流量轉(zhuǎn)換器檢定流量，設定全溫度范圍內(nèi)的試驗環(huán)境，使流量轉(zhuǎn)換器在保持正常運行1h后檢查其運行情況。經(jīng)過測定，在65℃高溫實驗后，可正常工作。同時，對4臺流量轉(zhuǎn)換器進行不間斷運行試驗，運轉(zhuǎn)時間為3000h，檢驗其工作情況。經(jīng)檢驗，4臺流量轉(zhuǎn)換器均可在3000h時間內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

最后，針對智能流量儀脈沖輸出功能、顯示功能、計量功能和按鍵功能進行試驗，發(fā)現(xiàn)均可按照預期設計目標顯示和設置數(shù)據(jù)與界面，證明所設計的器件良好，能夠正常使用。

五、結(jié)語

綜上所述，文章所給出的一種基于磁電傳感器的智能流量計具備穩(wěn)定精確計量壓力、溫度的能力，可在實際作業(yè)中發(fā)揮切實作用。文章所得出的結(jié)論如下：

（一）設計智能流量計從系統(tǒng)架構出發(fā)，細化軟硬件結(jié)構以及功能模塊的設計。針對模塊進行選型，將STM32作為核心處理器，包含藍牙模塊、NB-IOT、存儲數(shù)據(jù)模塊、流量計量模塊、LCD液晶顯示模塊以及電源模塊；

（二）從智能流量計的核心著手展開功能測試，設計試驗，發(fā)現(xiàn)所設計的流量轉(zhuǎn)換器能夠在大氣壓力為2.5MPa的狀態(tài)下精準穩(wěn)定計量有關數(shù)據(jù)，且整體設備可連續(xù)工作3000h，證明設計具有合理性和可用性。

參考文獻

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作者單位：文方哲，陜西寶成航空儀表有限責任公司；郝少飛，陜西寶成航空儀表有限責任公司；尚永爽，中國人民解放軍93184部隊