微功耗智能涡街流量仪表的设计

　　当在流体中插入柱状物体时,在柱状物两测产生的旋涡频率与流速成正比,称谓“卡门涡街”原理,涡街流量仪表就是基于此原理研制出来的流量仪表,与其他流量仪表相比具有无可动部件、维护量小、运行稳定、精度高等优点,已广泛应用在石油、化工、冶金等行业中。针对在实际应用中需要就地显示的涡街流量仪表,开发了以Microchip公司的PIC16F877单片机为核心的智能涡街流量仪表,实际效果达到了全智能、真正微功耗(仅1.50 mW),实际应用证明4节3.6 V锂电池可连续工作一年以上,该设计合理可靠,经济性能好,实用性强,已在天津石化公司、大庆油田、茂名石化公司等单位正常运行。

　　1　涡街流量仪表总体方案设计

　　1.1　涡街流量仪表的功能

　　①进行流量的运算,并显示累积流量、瞬时流量、频率、密度及实时时间。

　　②实现全智能化,单片机自动控制前端放大电路的增益、灵敏度;选择口径和测量介质,实现噪声滤波、流量信号检测。

　　③微功耗设计,实现用锂电池对仪表供电,4节3.6 V锂电池可连续工作一年以上。

　　④利用PIC16F877单片机的PWM功能实现流量所对应的频率输出,并设计有RS485通讯接口。

　　⑤由于涡街流量仪表常用于石油、化工等行业的易燃、易爆场合,故仪表的设计具有防爆性能。

　　1.2　涡街流量仪表硬件框图

　　该涡街流量仪表的系统硬件结构框图如图1所示,主要组成部分包括:流量传感器、电荷放大器、低通滤波电路、施密特触发整形电路、PIC16F877单片机、液晶显示屏(LCD)、看门狗(WDT)、键盘输入、电池电压转换控制电路及频率、RS485通信输出电路等。

　　2　关键部分硬件技术设计说明

　　2.1　流量传感探头

　　涡街流量传感探头内部封装有2对压电元件,这是仪表的关键部位之一,其作用是流体产生的交变旋涡引起探头内压电晶体的电荷变化,此电荷变化的频率由后面的放大电路处理后得到频率信号。

　　2.2　电荷放大器、低通滤波和放大整形电路

　　这三部分电路为频率信号处理电路,由流量传感探头检测出来的电荷信号首先经过电荷放大器,将电荷信号转换为电压信号,此级的放大增益由PIC16F877来控制;放大后的频率信号由有源低通滤波器滤除信号中的噪声,将管道震动等引起的高频噪声滤除,具体的滤波频带,则有PIC16F877根据实际应用的仪表口径来控制;采用施密特触发器将滤波后的频率信号进行整形,输出方波,在这一级中,由于施密特触发器具有滞后特点,可防止噪声引起误操作,进一步提高抗干扰能力,同样在这里也采用PIC16F877来控制施密特触发器的触发电平,即灵敏度。