摘 要：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

关键字：质量流量计 单片机 传感器 积算器

    0 引言

    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：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

    式中：q_i为第i秒时采样的瞬时流量平均值，kg/s；

    Δ_t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。

    2.2 质量流量积算器的硬件结构

    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。

    2.2.1 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。

    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

    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 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，其主程序流程图如图3所示。

    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 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。

    2.3.3 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。

    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。

    4 结束语

    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。

    参考文献

    【1】李晶禧，等。内旋转式纸浆浓度变送器的研究[J]。仪器仪表学报，1999（3）。
    【2】赵长德，雷玉田。微型计算机原理与接口技术[M]。北京：机械工业出版社，1999.10。
    【3】向廷元。微型面板式打印机与8051单片机接口及应用[J]。仪表技术与传感器，2003（8）。
    【4】谢志萍。传感器及转换技术[M]。北京：电子工业出版社，2004.8。