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基于RS-485的多電極電磁流量計的遠程監控2004年1月(1)

摘要   在簡介多電極電磁流量計結構和測量原理的基礎上,給出了監控系統的總體結構框圖。重點討論多電極電磁流量計與上位機的數據傳輸問題,采用VC++6.0的通信控件MSComm,通過485接口實現了PIC16F877單片機與計算機的串行數據傳輸,最終實現了計算機對以PIC單片機為核心的多電極電磁流量計的遠距離控制和數據傳輸。

關鍵詞   多電極電磁流量計    數據傳輸    遠程監控

0  引言

   由于流速在管道截面上分布的非軸對稱性,使得采用單電極對測量模式的傳統電磁流量計會產生很大的測量誤差[1]。Shercliff[1]首先對單對點電極電磁流量計進行了較系統的分析,并提出了權重函數估計法,指出由于權重函數分布得不均勻導致傳統單對電極電磁流量計對流型的敏感性。Eng[2]采用均勻磁場,通過對傳感器上感應電勢積分獲得了在任意流型下平均流速的數學表達式,可用于非軸對稱管流平均流速的精確測量。Horner[3]等人1996年在Engl公式的基礎上,提出了以層析成像理論為基礎的多電極電磁流量計測量平均流速的方法。實驗結果表明,多電極電磁流量計可得到精確的平均流速估計。作者所屬的天津大學流量測量實驗室,應用層析成像的檢測理論,提出了一種采用可旋轉均勻磁場做激勵,多對電極檢出感應信息的測量方法[4]。

由于智能終端的管理、運算功能較差,因此有時需要將檢測與控制的參數送到計算機中,利用計算機運算速度快的特點,對數據進行實時處理。利用單片機構成智能化的前端模塊,從而實驗檢測儀表與計算機接口的靈活配置是現代化儀器儀表設計的重要趨勢之一。在計算機與外部硬件設備通信應用開發中,串行通信因其接口方式簡單,而且通信一方的微機本身就配有兩個以上的串行異步通信接口,用戶可以在不增加任何外設的情況下,就可與其它計算機、外設之間進行數據通信,所以它在數據采集、工業控制、監控等領域應用得非常普遍。RS-485是一種多發送器得電路標準,其接口采用一對平衡差分信號線,對噪聲免疫,允許雙導線上一個發送器驅動32個負載設備,負載設備可以是被動發送器、接收器或收發器。由于RS-485比RS-232傳輸信號距離長、速度快,而且可帶多個負載設備,因此在各種智能化儀器儀表中起著重要德作用。

PIC系列8位微控制器具有運行速度快,工作電壓低,功耗低,輸入輸出驅動能力強(可直接驅動LED),體積小,價格低,指令簡單、易學易用等優點。它還集成了一系列具有獨特功能的外圍專用電路,如振蕩器、復位電路、監視定時器電路等。PIC微控制器已廣泛應用于加電控制、通信、工業控制、智能儀器儀表、金融電子等許多領域。

本設計采用RS-485標準,選用PIC16F877,由計算機在Windows環境下形成上位機監控系統,完成計算機與PIC遠距離和數據傳輸,從而實現計算機對多電極電磁流量計的遠程通信。

1 系統的總體結構和功能

多電極電磁流量計由一個多電極系統和一個可旋轉的準勻強磁場構成,采用旋轉磁場,多角度進行檢測。每一檢測角度下采用與之相垂直的直徑及弦上的電極,電極對同時檢測出電壓信號,利用傳感器融技術,并結合流體流動模型得到流體流量的最優估計。

旋轉磁場由X軸、Y軸兩個方向的兩組激勵線圈產生,通過改變X方向和Y方向激勵電流幅值,可形成不同激勵方向下的平行激勵磁場。為避免交流磁場的正交電磁干擾,消除由分布電容引起的工頻干擾,抑制交流磁場在管壁和流體內部引起的渦流,排除直流勵磁的極化現象,采用實際生產中較為廣泛應用的三值方波勵磁,如圖1所示。

                     圖1  三值方波波形圖

如圖2所示為16電極多電極電磁流量計示意圖。這些電極呈等角間距分布,對三值方波激勵方式來說,可有8個磁場方向,而在每一個磁場方向上都有7對電極與磁場方向垂直,1對電極與磁場方向平行。

               圖2 電磁流量計磁場方向示意圖

多電極電磁流量計的信號檢測系統所要完成的任務,就是在某一激勵磁場角度下,選定流體公共地電位,然后依次選通同一條弦上的兩個電極,將電勢信號分別取出,信號通過放大濾波等處理后,送到PIC的A/D端口,單片機進行數據采集,并與計算機進行串行通信傳輸數據。

多電極電磁流量計控制器的總體結構如圖3所示。

              圖3  系統結構框圖

由PIC實現多電極電磁流量計的多向激勵、多對電極檢測的底層電路控制、數據采集,并將采集的數據送至上位機。上位機控制PIC的運行和停止,并將接收的數據進行處理并顯示。多電極電磁流量計監控系統的關鍵在于解決計算機與PIC的實時通信問題。

2  通信功能

   由PC控制PIC的運行與停止,PIC在接到上位機的開始命令后,進行數據采集,并在系統采集到規定數量的數據后,將這些數據存放在內存連續單元的發送緩沖器區,依次傳送給上位機;PIC在接到上位機的停止命令后,在上一次數據采集和發送完成后,停止動作。

計算機的串行口采用的是RS-232標準,若采用RS-485標準必須進行電平轉換,本設計使用232-485轉換器完成從RS-232到RS-485的電平轉換。

由于單片機芯片發出的串行數據為TTL電平,同時也只能接收TTL電平,在采用RS-485標準時,也必須進行電平轉換。本設計中使用MAX485,它是用于RS-485通信的半雙工低功率收發器件,包含一個驅動器和一個接收器。

使用一個半雙工連接的難點就是控制每個驅動器在什么時候被啟用,或者處于激活狀態。當一個驅動器在傳輸的時候,必須直到它完成傳輸都保持被啟用狀態,然后在一個應答節點開始響應之前切換到禁用狀態。MAX485的控制端 和DE短接,這樣用一個信號可以控制兩種狀態——接收和發送。 和DE為“1”時,發送端接通,數據經DI腳后,變成傳送的信號送到傳輸線。 和DE為“0”時傳輸線上的信號經MAX485,當處于發送狀態時,數據信號經發送端DI,在輸出端A和B上交替出現高電平;當處于接收狀態時,A和B上交替的高電平信號經MAX485轉換成高低電平信號經RO輸出。在傳輸過程中,交替的高電平保證通信傳輸回路中始終有電流,能實現可靠通信。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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