摘要：根據(jù)渦輪流量計的流量與脈沖成正比的工作原理,利用8253(可編程定時/計數(shù)器)采集脈沖信號,設(shè)計了渦輪流量變送器。再對渦輪流量計進行校核,然后通過軟件設(shè)計對非線性的k系數(shù)進行校正,實現(xiàn)了渦輪流量傳感器的測量。經(jīng)過長時間的實際車輛試驗,基于8253的渦輪流量變送器工作穩(wěn)定,可以廣泛用于工業(yè)監(jiān)測。 

1、引言：渦輪流量計具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，重復(fù)性好，量程范圍寬和能夠輸出頻率信號等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控，測量等領(lǐng)域。渦輪流量傳感器的主要性能指標(biāo)是其量程范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性與線性誤差。重復(fù)性誤差主要反映渦輪變送器的性能，線性誤差反映渦輪的性能。儀表系數(shù)的特性一直是眾多科研工作者關(guān)注的問題，天津大學(xué)王振、孫立軍等人一在這方面做了許多工作，這些工作主要集中于K-qv特性上，即主要研究渦輪流量傳感器本身。    而本文主要研究輸出脈沖信號的渦輪流量傳感器的數(shù)據(jù)采集，并將其應(yīng)用于工程實際。

2、原理：
2. 1、渦輪流量計工作原理：
   渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1 (a)所示，葉輪的葉片用導(dǎo)磁材料制作，與磁鐵、鐵芯及線圈形成磁路。葉片旋轉(zhuǎn)時，磁阻發(fā)生變化，使線圈感應(yīng)出脈沖電壓，該信號經(jīng)放大整形后，使，叮輸出供檢測用的脈沖信號。    在渦輪葉片一的平均半徑:處取斷面，并將圓周展成直線，得到圖1(b)，由圖可得:

    K即為儀表系數(shù)，由式(6), K完全取決j幾結(jié)構(gòu)參數(shù)，對具體的流量傳感器K為常數(shù)。根據(jù)式(5)只要測量出脈沖信號f就可獲得體積流量q。
2.2、脈沖信號的采集：
   脈沖量的測量大致有兩類:一類為頻率量的測量，即測量單位時間的脈沖數(shù)，如頻率、速度的測量:另一類為測量累計脈沖數(shù)，如距離、角度等的測量。測量頻率量一般有三種方法:一種為M法，即測量一定時間內(nèi)脈沖的個數(shù)，這種方法在低頻段誤差較大，適合高頻情況;一種為T法，即測量速度信號兩脈沖之間的間隔時間，適用于低頻情況;***后一種為M/T法，它無論在低頻段還是高頻段測量精度都能達到很高的水平。本系統(tǒng)流量傳感器測量頻率范圍310–4800Hz選用M法。

3、渦輪流量變送器的設(shè)計：
3. 1、硬件設(shè)計：
   渦輪流量傳感器與計數(shù)芯片可編程定時/計數(shù)器8253之間通過光電禍合器4N25進行連接，如圖2(a所示，其中4N25的作用就是進行光電隔離。然后8253再連接至單片一機芯片AT89C52, 圖2 (b)所示。***后通過AT89C52將信號傳輸?shù)紺AN控制器，由CAN總線進行數(shù)據(jù)接收。    本系統(tǒng)中1司時采集四路流量傳感器，采用了兩片8253, 8253的引腳GATEi接電源Vcc，通電就開始計數(shù)。

圖2硬件接口電路
    根據(jù)水流量信號的采集原理，只要在一秒的時間內(nèi)，讀出輸入信號的脈沖數(shù)，即可得到輸入信號的脈沖頻率。利用AT89C52內(nèi)部的兩個16位可編程定時器/計數(shù)器(T1, TO)，即可實現(xiàn)定時一秒。四路信號脈沖數(shù)的讀取邏輯如下表所示。

    其中P2.0, P2.1, P2.2, P2.3,麗、WR分別為AT89C52管腳。
3. 2、軟件設(shè)計：
   水流量數(shù)據(jù)采集的程序框圖如圖3示，通過給8253的各個通道寫方式控制字，將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入鎖存器，讀取各個通道的脈沖數(shù)，記為old[i];定時時間結(jié)束時，再將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入鎖存器，讀取各個通道的脈沖數(shù)，記為new[i];則所定時間內(nèi)的脈沖數(shù):tai]=new[i]- old[i]o根據(jù)公式(5)即可得到相應(yīng)傳感器的流量。

圖3程序框圖
    設(shè)置定時器/計數(shù)器(TI, TO)的方式寄存器( TMOD)參數(shù)，TMOD=0x61，將TO作為16位定時器。由于計數(shù)器的加1信號由振蕩器的12分頻信號產(chǎn)生，如圖2 (b)采用12MHz晶振，所以計數(shù)周期為:T=1/ (12xlO6Hzx1112)=ls。所以，定時一秒需要計數(shù)106,  16位定時器的***大計數(shù)為65536，故需要重復(fù)計數(shù)，重復(fù)計數(shù)20次時，計數(shù)器的初值為THO=Ox3c; TLO=Oxaf。

4、誤差檢定：
   根據(jù)文獻對基于8253的渦輪流量計進行誤差檢定。
4.1、流量計的儀表系數(shù)：
4. 2、儀表系數(shù)***大示值：
  誤差EE=`Ki)mar\Ki. /max一\K> }m;0+ }Ki)m;}x 100%(8)4. 3流量計重復(fù)性誤差Er ix 100%式中，E,;—第1個測試點的重復(fù)性誤差;    n一每個測試點測試次數(shù);    K;一一-第i個測試點第J次檢定的系數(shù);    K,—第i個測試點檢定的平均系數(shù);則流量計的重復(fù)性誤差為    Er- max9)(10)    對一個渦輪流量計的檢定結(jié)果如表2所示，所檢定的渦輪流量計型號為LWGY 15 ,測量范圍為

0.6~6m'/h，供電電源為12 VDC士10%，電流≤10mA ;    根據(jù)式(7)一(10)，由表2可得所檢定的渦輪流量傳感器K=781.993m-3 E=1.68% E0.046%。

5、誤差分析：
5. 1、定時誤差：
   根據(jù)流量傳感器的上作原理，由圖3從定時器結(jié)束定時，到8253數(shù)據(jù)鎖存結(jié)束，中間至多存在5個指令周期的時間差，約為5 X 10-bs，在定時is時，這個時間誤差可以忽略;如圖2 (b>單片機采用12MHz的況!振進行定時，而12MHz的晶振誤差約為0.16%，從而導(dǎo)致流量傳感器的測量誤差約為0.16%。所以所設(shè)計的渦輪變送器準(zhǔn)確度等級不超過0.2,可以達到0.5。

表2渦輪流量傳感器標(biāo)定記錄
5.2、K系數(shù)誤差：
  由表2可以得到檢定的渦輪流量傳感器的K-qv曲線，如圖4所示，渦輪流量傳感器的k系數(shù)在其測量范圍的兩端誤差比較大。文獻中廣泛認為渦輪流量傳感器具有“駝峰”形K-qv特性曲線，文獻認為渦輪流量傳感器具有“鋸齒”形K-qv特性曲線，不管是什么形狀的K-qv特性曲線，都是在其測量范圍的兩端，k系數(shù)處于非線性。如果采用理想的線性k系數(shù)來代替非線性的k系數(shù)，產(chǎn)生的誤差就比較大?？梢酝ㄟ^如圖3所示的軟件設(shè)計采用分段k系數(shù)或者對K系數(shù)進行修正，來提高測量精度。有關(guān)K系數(shù)的修正，可以參閱文獻「8]0

圖4檢定的渦輪流量計K-qv曲線

5.3、重復(fù)性誤差：
   可以說重復(fù)性誤差主要用于反映渦輪流量計變送器性能的指標(biāo)。采用基于8253的渦輪流量計，根據(jù)表2，重復(fù)性誤差只有0.046%，按照文獻【8]，重復(fù)性誤差達到了0.2的精度等級。所以，采用8253計數(shù)的渦輪流量計滿足測量的要求。

6、實際應(yīng)用：

    將所設(shè)計的渦輪流量計用于電傳動車輛試驗樣車上，經(jīng)過長時間的試驗，渦輪流量計工作正常。在實際的跑車試驗中，通過監(jiān)測水流量信息還可以用于故障診斷。在正常工作時，部件的水流量如圖5所示。如果部件沒有循環(huán)，水流量的信號基本為零，如果水路缺水，動比較大平均的水流量將會下降，而民水流量信號波動比較大。

7、結(jié)論：
   (1)完成了基于8253計數(shù)芯片的渦輪流量傳感器數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計。
   (2)通過軟件設(shè)i1一的方法可以對非線性的K系數(shù)進行校正，以提高測量精度。
   (3)基于8253計數(shù)芯片的渦輪流量變送器具有很好的重復(fù)性，穩(wěn)定性，可廣泛用于工業(yè)監(jiān)測。