專利名稱：單片機(jī)流量計校正裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣體流量的計算機(jī)校正技術(shù)。
現(xiàn)有的流量計，由于氣體壓力、溫度的變化，使得氣體密度發(fā)生了變化，這樣流量計所計量的流量值就要產(chǎn)生偏差，這種偏差最高時可達(dá)到20％～40％。以前處理這類情況，是利用溫度表、壓力表上的讀數(shù)靠人工查表計算出流量校正值，這種處理方法不僅浪費(fèi)人力和時間，而且只能求得一段時間的統(tǒng)計平均值，并且誤差較大。目前國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了對溫度、壓力校正的流量計量系統(tǒng)，但價格昂貴，使多數(shù)廠礦企業(yè)難以更新流量計量設(shè)備。就目前已有的現(xiàn)代化計量系統(tǒng)，多屬大的集散型系統(tǒng)，用PC／XT、PC／286等管理控制；屬于小系統(tǒng)的則用8031、Z－80等單片機(jī)、單板機(jī)加上A／D轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，集成化成度也不高，體積較大，使用不靈活。
本實(shí)用新型的目的就是提出一種以8098單片機(jī)為核心的單片機(jī)流量計校正裝置，只需附加在原流量計量設(shè)備上，就可使原流量計量設(shè)備具備智能校正功能。這樣，原流量計仍可利用，計量準(zhǔn)確度又得以提高，大大節(jié)省了企業(yè)資金。
本實(shí)用新型是由電源電路、流量和壓力I／V轉(zhuǎn)換電路、大氣壓調(diào)整電路、溫度信號輸入電路、單片機(jī)(8098)及外圍線路、校正后流量輸出電路等組成，作為原流量計量設(shè)備的輔助輸入裝置。由原設(shè)備中流量變送器、壓力變送器送來的流量信號和壓力信號，經(jīng)流量和壓力I／V轉(zhuǎn)換電路，輸入到單片機(jī)(8098)A／D轉(zhuǎn)換的兩模擬信號輸入端。由大氣壓調(diào)整電路輸出的大氣壓力校正信號和由溫度信號輸入電路產(chǎn)生的溫度信號送單片機(jī)(8098)A／D轉(zhuǎn)換的另兩個模擬信號輸入端。溫度信號輸入電路包括電橋電路和兩級運(yùn)算放大器，采用鉑熱電阻作為氣體溫度傳感器接入電橋的一橋臂上。單片機(jī)(8098)及外圍線路包括8098單片機(jī)、鎖存器、EPROM程序存貯器、反相器等。8098單片機(jī)不僅具有數(shù)據(jù)計算處理能力，而且有四路帶保持器的10位A／D轉(zhuǎn)換器的高速輸入端口及高速輸出端口；鎖存器用來鎖存單片機(jī)輸出的低八位地址以提供EPROM尋址用；固化在EPROM中的軟件包括單片機(jī)的控制、計算、處理程序，以及流量校正運(yùn)算公式和氣體密度與壓力、溫度的函數(shù)表格；單片機(jī)(8098)的內(nèi)部RAM區(qū)用于存放數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。這樣，8098單片機(jī)上電復(fù)位后，根據(jù)固化在EPROM中的軟件控制，自動地進(jìn)行對流量、壓力、大氣壓、溫度信號的采集，通過查表運(yùn)算，得出校正后的流量值。校正后流量值由8098單片機(jī)的HSO高速輸出口輸出，輸出信號為連續(xù)脈寬調(diào)制脈沖信號PWM，該信號經(jīng)校正后流量輸出電路，變換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，直接接入原流量計量設(shè)備中的流量計算器進(jìn)行流量計量。校正后流量輸出電路包括整形、濾波、電壓幅度調(diào)整、V／I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路。
本實(shí)用新型不改動原流量計，連線簡單，可安裝在原Ⅱ型表殼內(nèi)，易于現(xiàn)場工作人員掌握使用。本裝置除對氣體的壓力、溫度對流量計量造成的偏差不斷地進(jìn)行校正外，還有大氣壓強(qiáng)校正。這是因?yàn)楫?dāng)氣體壓力低時，大氣壓的大小對流量的影響較大，故當(dāng)氣體壓力低于大氣壓之值時，采集大氣壓之值進(jìn)行校正計算，可大大降低因不同季節(jié)、氣候、不同海拔高度大氣壓不同所造成的計量誤差。此外，本裝置采用軟件分段處理，來解決鉑熱電阻R－T曲線非線性問題；當(dāng)氣體的溫度或壓力超出校正范圍時，由軟件查表自動改變計算公式，按飽和氣體進(jìn)行校正計算，這就大大拓寬了原流量計的適應(yīng)范圍，減小計量誤差。由于本裝置采用的單片機(jī)為8098，整個電路簡化，性價比提高，體積小，計算處理速度快，精度高，并在軟、硬件電路采取了抗干擾措施，保證了計量準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠。使用本實(shí)用新型，可使原流量計的計量誤差在0.5％以下。
附

圖1為本實(shí)用新型的電源電路圖。
附圖2為本實(shí)用新型的流量I／V轉(zhuǎn)換電路圖。
附圖3為本實(shí)用新型的壓力I／V轉(zhuǎn)換電路圖。
附圖4為本實(shí)用新型的溫度信號輸入電路圖。
附圖5為本實(shí)用新型的大氣壓調(diào)整電路圖。
附圖6為本實(shí)用新型的8098單片機(jī)及外圍線路的電氣原理圖。
附圖7為本實(shí)用新型的校正后流量輸出電路圖。
附圖8為本實(shí)用新型的裝置總框圖。
本實(shí)用新型的實(shí)施例結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。
如附圖1所示，220V交流電壓經(jīng)電源電路后，得到2個＋5V直流電壓、±12V直流電壓和＋30V直流電壓。圖中變壓器B1的輸出端A1、A2兩端對地輸出為7.5V，電容C12、二極管D6、D7和電容C13、二極管D10、D11為倍壓電路。
流量I／V轉(zhuǎn)換電路是由電阻R16、R17、R18、電容C6、二極管D3、D4和開關(guān)S1構(gòu)成，流量信號輸入端分別經(jīng)R16、S1接地，經(jīng)R17接地，經(jīng)C6接地，經(jīng)反接D3接地和經(jīng)順接D4接＋5V；再經(jīng)R18輸出接U6(8098)的43端(ACH4)。當(dāng)流量變送器1送來的流量信號為0～10mA標(biāo)準(zhǔn)信號時，S1打開，標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)I／V轉(zhuǎn)換電阻R17、濾波電容C6和限流電阻R18后輸出0～5V電壓信號；當(dāng)流量變送器1送來的流量信號為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號時，S2合上，標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)I／V轉(zhuǎn)換電阻R16∥R17、濾波電容C6和限流電阻R18后輸出0～5V電壓信號。二極管D3、D4起限幅作用。流量I／V轉(zhuǎn)換電路輸出的0～5V電壓信號送U6的43端(ACH4)。
壓力I／V轉(zhuǎn)換電路是由電阻R31、R32、R33、電容C4、二極管D12、D13和開關(guān)S2構(gòu)成，壓力信號輸入端分別經(jīng)R31、S2接地，經(jīng)R33接地，經(jīng)C4接地，經(jīng)反接D13接地和經(jīng)順接D12接＋5V，再經(jīng)R33輸出接U6的40端(ACH6)。當(dāng)壓力變速器2送來的壓力信號為0～10mA標(biāo)準(zhǔn)信號時，S2打開，標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)I／V轉(zhuǎn)換電阻R32、濾波電容C4和限流電阻R33后輸出0～5V電壓信號；當(dāng)壓力變送器2送來的壓力信號為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號時，S2合上，標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)I／V轉(zhuǎn)換電阻R31∥R32、濾波電容C4和限流電阻R33后輸出0～5V電壓信號。二極管D12、D13起限幅作用。壓力I／V轉(zhuǎn)換電路輸出的0～5V電壓信號送U6的40端(ACH6)。
大氣壓調(diào)整電路是將＋5V電壓經(jīng)串接電阻R19、可調(diào)電位器W3、電阻R20接地，從W6的可調(diào)端分壓輸出的大氣壓力校正信號分別經(jīng)濾波電容C5接地和接U6的41端(ACH7)。
溫度信號輸入電路是由電橋電路和兩級運(yùn)算放大器組成。電橋電路是由橋臂電阻R1、R2、R3、可調(diào)電位器W1、W2構(gòu)成，作為氣體溫度傳感器的鉑熱電阻RP接入R3橋臂上，電橋輸出送由運(yùn)放U1(OP07)、電阻R4、R5、R6、R7構(gòu)成的差動放大器，其中電橋輸出的兩端分別經(jīng)R4接U1的2端和經(jīng)R5接U1的3端，U1的4端接－12V，U1的7端接＋12V，U1的3端經(jīng)R7接地，U1的2端經(jīng)R6接其6端，U1的6端輸出送由運(yùn)放U2(OP07)、電阻R8、R9、R10構(gòu)成的反相放大器。即將U1的6端輸出經(jīng)R8接U2的2端，U2的3端經(jīng)R10接地，U2的4端接－12V，7端接＋12V，2端經(jīng)R9接其6端。這樣，通過電橋?qū)︺K熱電阻RP的測量，得到與之相應(yīng)的溫度信號，經(jīng)差動放大器進(jìn)行變換(雙端變單端信號)，再經(jīng)反相放大器進(jìn)行放大，得到0～5V的正信號，該電壓信號經(jīng)電阻R11、電容C26耦合、電容C27濾波后送U6的42端(ACH5)。二極管D1和D2起限幅作用。鉑熱電阻阻值隨溫度變化的非線性問題是通過軟件分段處理方法進(jìn)行解決。
參考附圖68098單片機(jī)及外圍線路是由8098單片機(jī)U6、鎖存器U7(74LS373)、EPROM程序存貯器U8(2764)、反相器U5A(CD4049)等組成，是將U6的四路帶保持器的10位A／D轉(zhuǎn)換器的高速輸入端口ACH4～ACH7接四路輸入信號；U6的36、35兩端接由晶振CRY、電容C9、C10構(gòu)成的時鐘電路；U6的48端接由電阻R22、電容C11、二極管D5構(gòu)成的自動上電復(fù)位電路；U6的37端、39端、44端接地；U6的46端接＋5V；U6的12端經(jīng)電容C8接地；U6的參考電壓輸入端45端分別經(jīng)電阻R21接＋12V，經(jīng)可調(diào)電位器W6接地，經(jīng)精密穩(wěn)壓器To(LM336－5)接地，To的1端接W6的可調(diào)端；U6的34端(ALE線)接U7的11端；U6的19端(AD13)經(jīng)反相器U5A接U8的片選端20端；U6的33端( 線)接U8的22端( 端)；U6的八位數(shù)據(jù)總線AD0～AD7，即U6的25～32端分別接U8的數(shù)據(jù)總線D0～D7和接U7的輸入端D0～D7，U7的輸出端Q0～Q7接U8的低八位地址線A0～A7；U6的20端(AD8～AD12)接U8的高五位地址線A8～A12；U7的1端接地；U8的1端和27端接＋5V；U6的高速輸出端7端(HSO)接校正后流量輸出電路。
單片機(jī)U6內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器參考電壓＋5.12V是由＋12V通過LM336－5穩(wěn)壓后得到。U6的數(shù)據(jù)總線上接上拉電阻R23～R30為抗干擾采取的措施，當(dāng)無信號時，D0～D7為FFH，是返回指令RET，防止程序“跑飛”。在EPROM中存放著單片機(jī)U6的控制、計數(shù)、處理程序，以及流量校正運(yùn)算公式和氣體密度與壓力、溫度的函數(shù)表格。以蒸汽為例通過蒸汽密度與壓力、溫度函數(shù)表的尋查，得到密度γ，根據(jù)Q＝Q′r/ra]]>算式得到校正后的流量Q，Q′為所測流量，γ0為流量計規(guī)定的工作壓力、溫度下的蒸汽密度。對于其他種類氣體，都有類似不同的運(yùn)算公式和函數(shù)表格。這樣，單片機(jī)U8上電復(fù)位后，根據(jù)固化在EPROM中的軟件控制，自動地進(jìn)行對流量、壓力、大氣壓、溫度信號的采集，通過查表運(yùn)算，得出校正后的流量值，該流量以連續(xù)脈寬調(diào)制脈沖信號PWM，經(jīng)U6的7端(HSO)輸出送校正后流量輸出電路。軟件采用定時中斷查尋方式進(jìn)行采數(shù)、計算和送數(shù)，以保證連續(xù)不斷地輸出校正后的流量信號。
校正后流量輸出電路包括整形、濾波、電壓幅度調(diào)整、V／I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路。單片機(jī)U6的7端輸出的PWM信號，通過CD4049的兩個非門U5B、U5C的整形后，由電阻R12、電容C1平滑濾波，然后輸入到運(yùn)放U3的3端，進(jìn)行幅度調(diào)整。由運(yùn)放U3(OP07)、電阻R13、電容C2、可調(diào)電位器W4構(gòu)成的電壓幅度調(diào)整電路，是將U3的2端經(jīng)R13接地，經(jīng)W4接其6端；4端接－12V，7端接＋12V；6端輸出分別接W4的可調(diào)端，經(jīng)C2接地，經(jīng)電阻R14送U4的3端。V／I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路是由運(yùn)放U4(OP－07)，可調(diào)電位器W5、功率三極管T1構(gòu)成，U4的2端接T1的發(fā)射極和W5的可調(diào)端，U4的4端接－12V，U4的7端接＋12V，U4的6端輸出接T1的基極，T1的發(fā)射極經(jīng)W5接地，T1的集電極輸出接至原流量計3的負(fù)輸入端，原流量計3的正輸入端經(jīng)電阻R15接＋30V，和經(jīng)濾波電容C3接地。這樣，經(jīng)幅度調(diào)整后的0～5V電壓信號經(jīng)V／I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的0～10mA或4～20mA的電流信號，作為校正后的流量信號直接送入原流量計進(jìn)行流量計量。
權(quán)利要求1.一種單片機(jī)流量計校正裝置，是由電源電路、流量和壓力I/V轉(zhuǎn)換電路、大氣壓調(diào)整電路、溫度信號輸入電路、8098單片機(jī)及外圍線路、校正后流量輸出電路等組成，擬作為原流量計量設(shè)備的輔助輸入裝置；將原設(shè)備中流量變送器、壓力變送器送來的流量信號和壓力信號，經(jīng)流量和壓力I/V轉(zhuǎn)換電路，輸入到單片機(jī)(8098)A/D轉(zhuǎn)換的兩模擬信號輸入端；由大氣壓調(diào)整電路輸出的大氣壓力校正信號和由溫度信號輸入電路產(chǎn)生的溫度信號送單片機(jī)(8098)A/D轉(zhuǎn)換的另兩個模擬信號輸入端；8098單片機(jī)的HSO高速輸出口輸出的信號經(jīng)校正后流量輸出電路，得到標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，直接接入原流量計量設(shè)備中的流量計算器進(jìn)行流量計量；其特征在于a.220V交流電壓經(jīng)電源電路得到±12V直流電壓、+30V直流電壓和2個+5V直流電壓；b.由電阻R16、R17、R18、電容C6、二極管D3、D4和開關(guān)S1構(gòu)成的流量I/V轉(zhuǎn)換電路，是將連接由原設(shè)備中流量變送器(1)送來的流量信號的輸入端，分別經(jīng)R16、S1接地，經(jīng)R17接地，經(jīng)C6接地，經(jīng)反接D13接地和經(jīng)順接D4接+5V，再經(jīng)R18輸出至U6的43端(ACH4)；c.由電阻R31、R32、R33、電容C4、二極管D12、D13和開關(guān)S2構(gòu)成的壓力I/V轉(zhuǎn)換電路，是將連接由原設(shè)備中壓力變送器(2)送來的壓力信號的輸入端，分別經(jīng)R31、S2接地，經(jīng)R32接地，經(jīng)C4接地，經(jīng)反接D13接地和經(jīng)順接D12接+5V，再經(jīng)R33輸出接U6的40端(ACH6)；d.大氣壓調(diào)整電路是將+5V電壓經(jīng)串接電阻R19、可調(diào)電位器W3、電阻R20接地，并從W3的可調(diào)端分壓輸出，分別經(jīng)濾波電容C5接地和接至U6的41端(ACH7)；e.由電橋電路和兩級運(yùn)算放大器組成的溫度信號輸入電路，是在由橋臂電阻R1、R2、R3、可調(diào)電位器W1、W2構(gòu)成的電橋電路中，把作為氣體溫度傳感器的鉑熱電阻RP接入R3橋臂，電橋輸出經(jīng)一級差動放大器變換和經(jīng)一級反相放大器放大后，再經(jīng)電阻R11、電容C26耦合、電容C27濾波后送U6的42端(ACH5)；f.由8098單片機(jī)U6、鎖存器U7(74LS373)、EPROM程序存貯器U8(2764)、反相器U5∶A(CD4049)等組成的8098單片機(jī)及外圍線路，是將U6的四路帶保持器的10位A/D轉(zhuǎn)換器的高速輸入端口ACH4～ACH7接四路輸入信號，U6的36、35兩端接由晶振CRY、電容C9、C10構(gòu)成的時鐘電路，U6的48端接由電阻R22、電容C11、二極管D5構(gòu)成的自動上電復(fù)位電路，U6的37端、39端、44端接地，U6的46端接+5V，U6的12經(jīng)電容C8接地，U6的45端接A/D轉(zhuǎn)換器的參考電路產(chǎn)生的+5.12V電壓，U6的34端(ALE線)接U7的11端，U6的19端(AD13)經(jīng)反相器U5∶A接U8的片選20端，U6的33端(RD線)接U8的22端( 端)，U6的25端～32端(數(shù)據(jù)總線AD0～AD7)分別接U8的數(shù)據(jù)總線D0～D7和接U7的輸入端D0～D7，U7的輸出端Q0～Q7接U8的低八位地址線A0～A7，U6的20～24端(AD8～AD12)接U8的高五位地址線A8～A12，U7的1端接地，U8的1端和27端接+5V，U6的高速輸出端7端(HSO)接校正后流量輸出電路；g.由整形、濾波、電壓幅度調(diào)整、V/I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路構(gòu)成的校正后流量輸出電路是將U6的7端輸出通過兩個非門(CD4049)U5∶B和U5∶C的整形后，由電阻R21、電容C1平滑濾波，再經(jīng)電壓幅度調(diào)整電路，使幅度調(diào)整后的電壓信號經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路和由功率三極管構(gòu)成的擴(kuò)流電路后，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號接原流量計(3)的負(fù)輸入端，原流量計(3)的正輸入端經(jīng)電阻R15接+30V電壓，和經(jīng)濾波電容C3接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計校正裝置，其特征在于溫度信號輸入電路中的差動放大器是由運(yùn)放U1(OP－07)、電阻R4～R7構(gòu)成，它是將電橋輸出的兩端分別經(jīng)R4接U1的2端，經(jīng)R5接U1的3端，U1的4端接－12V，U1的7端接＋12V，U1的3端經(jīng)R7接地，U1的2端經(jīng)R6接其6端，U1的6端輸出經(jīng)電阻R8送反相放大器中U2的2端；由運(yùn)放U2(OP－07)、電阻R8～R10構(gòu)成的反相放大器，是將U2的3端經(jīng)R10接地，U2的4端接－12V，U2的7端接＋12V，U2的2端經(jīng)電阻R9接其6端，U2的6端輸出為0～5V的正信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計校正裝置，其特征在于接于U6的45端的A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓電路是由電阻R21、可調(diào)電位W6、精密穩(wěn)壓器To(LM336－5)構(gòu)成，其連接線路是U6的45端分別經(jīng)R21接＋12V，經(jīng)W6接地，和經(jīng)To接地，To的1端接W6的可調(diào)端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計校正裝置，其特征在于校正后流量輸出電路中的電壓幅度調(diào)整是由運(yùn)放U3(OP07)、電阻R13、電容C2、可調(diào)電位器W4構(gòu)成，是將U3的3端作為信號輸入端，U3的2端經(jīng)R13接地，經(jīng)W4接其6端，U3的4端接－12V，U3的7端接＋12V，U3的6端分別接W4的可調(diào)端和經(jīng)C2接地，U3的6端輸出的0～5V電壓信號經(jīng)電阻R14送U4的3端；由運(yùn)放U4(OP07)、可調(diào)電位器W5、功率三極管T1構(gòu)成的V／I轉(zhuǎn)換及擴(kuò)流電路，是將U4的2端接T1的發(fā)射極和W5的可調(diào)端，U4的4端接－12V，U4的7端接＋12V，U4的6端接T1的基極，T1的發(fā)射極經(jīng)W5接地，T1的集電極輸出為標(biāo)準(zhǔn)的0～10mA或4～20mA的電流信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計校正裝置，其特征在于當(dāng)流量變送器(1)送來的流量信號為0～10mA時，流量I／V轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)S1打開；當(dāng)流量變送器(1)送來的流量信號為4～20mA時，S1合上，流量I／V轉(zhuǎn)換電路的輸出均為0～5V電壓信號；同樣，當(dāng)壓力變送器(2)送來的壓力信號為0～10mA時，壓力I／V轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)S2打開，當(dāng)壓力變送器(2)送來的壓力信號為4～20mA時，S2合上，壓力I／V轉(zhuǎn)換電路的輸出均為0～5V電壓信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量計校正裝置，其特征在于U6的數(shù)據(jù)總線上接上拉電阻R23～R30為抗干擾措施。
專利摘要一種新型的單片機(jī)流量計校正裝置，是由流量和壓力I/V轉(zhuǎn)換電路，溫度信號輸入電路，大氣壓調(diào)整電路，8098單片機(jī)及外圍線路，校正后流量輸出電路所組成。8098單片機(jī)在軟件控制下，進(jìn)行對流量、壓力、溫度、大氣壓四路信號的采集，并根據(jù)對存貯在EPROM中的函數(shù)表格和算式的查詢和計算，得出校正后的流量值，再以模擬信號的形式輸送給原流量計進(jìn)行計量。本實(shí)用新型作為原流量計的輔助輸入裝置，不需改動原流量計，就可使其具備自動校正功能，提高計量準(zhǔn)確度。
文檔編號G01F1/56GK2188754SQ9323729
公開日1995年2月1日 申請日期1993年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月16日
發(fā)明者曹云乾, 崔亦飛, 韓志剛 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)