摘要：根據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/計數器)采集脈沖信號,設計了渦輪流量變送器。再對渦輪流量計進行校核,然后通過軟件設計對非線性的k系數進行校正,實現了渦輪流量傳感器的測量。經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定,可以廣泛用于工業監測。 

1、引言：渦輪流量計具有結構簡單，體積小，精度高，重復性好，量程范圍寬和能夠輸出頻率信號等優點，因而廣泛應用于工業生產過程監控，測量等領域。渦輪流量傳感器的主要性能指標是其量程范圍內儀表系數的重復性與線性誤差。重復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。儀表系數的特性一直是眾多科研工作者關注的問題，天津大學王振、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據采集，并將其應用于工程實際。

2、原理：
2. 1、渦輪流量計工作原理：
   渦輪流量傳感器的結構如圖1 (a)所示，葉輪的葉片用導磁材料制作，與磁鐵、鐵芯及線圈形成磁路。葉片旋轉時，磁阻發生變化，使線圈感應出脈沖電壓，該信號經放大整形后，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，由式(6), K完全取決j幾結構參數，對具體的流量傳感器K為常數。根據式(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，如頻率、速度的測量:另一類為測量累計脈沖數，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，即測量一定時間內脈沖的個數，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計：
3. 1、硬件設計：
   渦輪流量傳感器與計數芯片可編程定時/計數器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將信號傳輸到CAN控制器，由CAN總線進行數據接收。    本系統中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。

圖2硬件接口電路
    根據水流量信號的采集原理，只要在一秒的時間內，讀出輸入信號的脈沖數，即可得到輸入信號的脈沖頻率。利用AT89C52內部的兩個16位可編程定時器/計數器(T1, TO)，即可實現定時一秒。四路信號脈沖數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、軟件設計：
   水流量數據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，將當前數據存入鎖存器，讀取各個通道的脈沖數，記為old[i];定時時間結束時，再將當前數據存入鎖存器，讀取各個通道的脈沖數，記為new[i];則所定時間內的脈沖數:tai]=new[i]- old[i]o根據公式(5)即可得到相應傳感器的流量。

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

4、誤差檢定：
   根據文獻對基于8253的渦輪流量計進行誤差檢定。
4.1、流量計的儀表系數：
4. 2、儀表系數***大示值：
  誤差EE=`Ki)mar\Ki. /max一\K> }m;0+ }Ki)m;}x 100%(8)4. 3流量計重復性誤差Er ix 100%式中，E,;—第1個測試點的重復性誤差;    n一每個測試點測試次數;    K;一一-第i個測試點第J次檢定的系數;    K,—第i個測試點檢定的平均系數;則流量計的重復性誤差為    Er- max9)(10)    對一個渦輪流量計的檢定結果如表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：
   根據流量傳感器的上作原理，由圖3從定時器結束定時，到8253數據鎖存結束，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%，從而導致流量傳感器的測量誤差約為0.16%。所以所設計的渦輪變送器準確度等級不超過0.2,可以達到0.5。

表2渦輪流量傳感器標定記錄
5.2、K系數誤差：
  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系數處于非線性。如果采用理想的線性k系數來代替非線性的k系數，產生的誤差就比較大。可以通過如圖3所示的軟件設計采用分段k系數或者對K系數進行修正，來提高測量精度。有關K系數的修正，可以參閱文獻「8]0

圖4檢定的渦輪流量計K-qv曲線

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

6、實際應用：

    將所設計的渦輪流量計用于電傳動車輛試驗樣車上，經過長時間的試驗，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，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、結論：
   (1)完成了基于8253計數芯片的渦輪流量傳感器數據采集的軟硬件設計。
   (2)通過軟件設i1一的方法可以對非線性的K系數進行校正，以提高測量精度。
   (3)基于8253計數芯片的渦輪流量變送器具有很好的重復性，穩定性，可廣泛用于工業監測。