开封市中仪流量仪表有限公司
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阅读：200发布时间：2021-12-26
电磁流量计软件系统设计
3．2软件系统设计图3．1系统流程图Fig．3．1 system now chan
3．2．1软件系统的功能
本软件系统主要包含如下模块：采集信号模块、系统监控模块、系统算法实现模块、用户交互模块、数据模块，各模块完成的功能如卜所述。
1．采集信号模块
采集信号模块完成对电极电压信号、参考信号的采集功能；
2．系统监控模块
系统监控模块包含系统自诊断模块、系统保护模块、系统检测模块、系统R 志模块。
系统自诊断完成对系统工作状态的诊断，判断系统工作是否正常，系统是否处于异常状态。围绕系统工作的目标，对于本系统，将下面所列出的事件视为异常：
1)流过管道内液体的流景大于用户设定的流量上限值或者下限值；
2)系统的参考电压信号过小或者过大；
3)系统的电极电压信号过小或者过大，电极电压信号分P极、N极电压；
4)待测量管道内液体截流；
5)A／D转换器过饱和；
6)由于计数器的局限性，系统可累计的流量有一个上限，当累计流量达到这个上*，就会发生计数器溢出的情况。本系统将此视为累计流量的溢出； 累计流量的溢出分正反方向；
7)系统设簧参数超出参数定义范围；
系统保护模块用于提高系统的安全等级，保护信号转换器安全、*工作， 保护程序的正常运行，保证程序不进入死循环或者不会乱飞，万一发生这种状况， 给出报警信号。
系统检测模块完成系统可实现功能的检测，检测的功能包括系统的屁示、系统瞬时流量的电流输出、系统瞬时流量的脉冲输出、被测液体的流向、数据存储器件(包括EEPROM和NVRAM)、程序存储器件(EPROM)、系统报警、累计流量复位。系统}=；；i志模块完成系统工作情况的记录，如系统掉电多少次、系统的工作条件、系统工作的上限、系统工作情况记录，系统的工作条件为系统的励磁频率， 系统的工作上限为系统可测量的液体流速，系统工作情况记录包括本系统出错历史记录、系统已完成了的累计流量历史记录。这是增加系统与用户友好交互的一个功能。
3．系统算法实现模块
系统算法实现模块要完成系统要进行的一切算法，包括瞬时流量的计算、采集信号可调增益的调艇、系统外部调零(电极电压调零)算法、系统调零算法、系统满量程凋节算法、瞬时流量滤波算法、累计流量的计算、量纲的转化算法、脉冲流量算法、电流输出算法、量纲的转换算法。
4．用户交互模块
用户交互模块包括显示模块、用户操作处理模块、外部触发处理模块： 显示模块完成被测液体流向的显示、瞬时流量多种表达方式的显示、累计流量多种表达方式的显示、系统菜单的显示、系统报警显示； 用户操作处理模块完成用户对键盘操作的处理任务，用户对键盘的操作目的主要是进行菜单的浏览、菜单参数的设置。外部触发处理模块完成对外部触发按钮的响应任务，本系统设计的外部触发按钮主要是外部累计流量复位、外部调零。
5．数据模块
系统的数据在模块问运转的数据，本系统的数据由显示菜单的数据、用于运算的数据以及向用户显示的关于系统信息的菜单数据组成，从系统工作情况分析， 各功能模块之间的数据流程如图3．2所示： 幽3．2各模块间数据流程图Fig．3．2 Data flow among every block 本软件系统功能树如图3．3所示： 瞬时流鼍计算数据模块系统满量程调节图3．3软件系统功能树Fjg．3f3 Sonwaresystem functi彻for EMF sjgnaI cOnVener
3．2．2系统实现的算法
电磁流量计的核心算法来自的法拉第电磁感应定律，单片机程序中的一系列公式也都是围绕这～定律展开的。首先需要将法拉第电磁感应定律工程化， 即加入一些必要的系数，有些系数有些是与传感器相关的，有些是用于消除系统误差的。产品出厂前，这样系数需要标定，为了提高生产效率和便于用户现场校正仪表，需要设计一些系数(如零点)的自动调整算法。根据检测信号计算得出的瞬时流量，还要通过一个滤波器，以适应某些工业现场的流体状态。瞬时流量显示单位有很多，所以还要有单位换算公式：电流输出和脉冲输出也需要一些公在流体瞬时流量的计算公式中，k是与传感器相关的一个系数。在实际电磁流量计信号转换器的生产中，对应于一台信号转换器有一台相配套使用的传感器， 而传感器的管径的大小决定了管道内可流过的流量，管径相对大的传感器内通过的液体流速范围就宽，可通过液体的流速比管径相对小的传感器内通过的液体流速要大，那么在传感器励磁线圈匝数已经确定，要使信号转换器具有比较宽的使用范围，就需要一个调整系数，弥补传感器的不足。通过上式分析得知， 通过调整k值就可达到这一目的，使信号转换器适用于不同绕线线圈的传感器。本系统将k定义为仪表标定因子，表示系统可测量的流速。
考虑到习惯使用百分数来表示瞬时流量，而且外部因素决定了系统可测量的流速，为了提高系统的使用范围，使系统具有比较宽的工作量程，同时使系统在工作量程内满量程工作，定义用户可设流量测量范围，以r表示，流量测量范围数值在系统可测流速(v。，)的10％一100％之间，但系统默认的流量测量范围数值为系统可测量流速，那么将瞬时流量计算修改为，：
为了实现在软件中辨别出管道内液体的流向，从A／D采样数值的角度考虑， 输入系统的正反向流量的电极电压信号在一定范围内变化，而管道内液体流速为Om／s时对应的数值是正反向的分界点，因此引进了电极电压零点，以e，U分别表示电极信号、参考信号，ze表示电极电压信号零点，管道内瞬时流速计算公式如下式所示：
为了使系统更准确地表示流量信号，减小系统在模拟电路上对于正反向流量放大匹配不一致的问题，提高数字、模拟测量的混合高精度，采用如下数字补偿方法：设置系统满量程工作参数，即管道内液体瞬时流量时系统测量的流速， 以s，来表示，由于管道内液体流向有正反向之分，s。分为正向满量程参数和反向满量程参数，由此修订流量计算公式为：
3．系统电极电压零点调节
据上匝的章节所提，系统电极电压信号零点用于判断管道内液体的流向，同时电极电压与液体的流速成正比，它对于瞬时流量的计算有着重要的意义，而且电极电压在现场所受的干扰也比较大，那么进行电极电压的调零就显得比较重要。本系统采用多次对电极电压工作零点采样求平均的方法来获得系统的零点。乙(H)2 e+Ze(¨) (3 10) 互：血n (3．t1) 对电极电压调零时的一个必要条件是，必须保证电极电压工作在零点状态， 也就是使系统工作在零点状态，管道内液体流速为Om／s。
4．系统满量程调节算法
为保证系统输出的可信度，进行满量程的调节也是十分必要的。系统满量程调节算法和系统调零算法原理一样，也是在系统满量程工作点上进行n次采样， 将采样运算结果依次累加，取采样平均值结果。进行系统满量程调节的前提条件是系统必须工作在满量程状态，考虑到系统工作在值可能会对系统有冲击作用，因此选择满量程工作点为系统满量程的99．9％，系统满量程调节算法为：
5．系统调零算法
系统零点不稳定是电磁流量计中一个较为突出的问题，系统零点不正常的结果是系统不能正常工作，也就是系统给出的瞬时流量、累积流量很可能是不正确的，那么在这种情况下就有必要对系统进行重新调零。这里对系统调零采用对系统工作零点多次采样取平均的算法。比较以上两图，分析方针结果得知，增大b可加快系统响应速度，但b越大静态误差越大；a越小系统响应速度就越慢。
根据上面仿真结果以及a、b两个参数在系统中所起的作用，那么要对实现瞬时流量的滤波就要求系统提供两个可调参数，世a为系统的放大系数，在本系统中将该放大系数命名标定系数，以l／a·为系统阻尼系数。系统标定系数对于系统的超调所起的作用比较明显，它的数值一般都比较小，在对信号转换器进行标定时。调整系统的标定系数、系统零点两个参数，通过不断的调整这两个参数的数值， 使系统稳态误差越来越小，系统精度越来越高。因此，这两个参数就具有比较高的权限，在系统的设计中应将其归类为设置权限较高的参数，并根据信号转换器标定结果预先设计一个系统的默认值。
7．累计流量算法
通过管道的累计流量数据是进行生产控制的一个重要数据，它也是电磁流量计信号转换器具备的一个功能。要计算出流过管道的累计流量，就需要系统提供两个参数；流过管道的瞬时流量、管道的内径。以d表示传感器内径，．q表示通过管道的累计流量，累计流量的计算公式如下：
据都是有其特定的物理意义的，因此就要求对采集的数据进行从无量纲到有量纲的转化。以D表示无量纲数值与有量纲数值的转换系数，以u、u 7分别表示无量纲和有量纲的数，那么转换的公式如下所示： “’=口×甜(3．21) 除了无量纲与有量纲数值之间的转化外，根据市场的要求，为了实现系统的易用性，需要用不同的单位表示瞬时流量和累计流量，因此，当选用不同的单位表示同一个物理量时，就需要进行量纲的转换。
3．2．3系统详细设计
1．系统工作参数定义
要使用户对于系统有一个充分的了解，尽可能详细地给用户提供系统的工作的各方面情况是很有必要的。根据上一个章节，系统算法的研究所提到的参数、智能电磁流量计信号转换器的需求以及用户需求定义与系统工作条件相关的参数：
1．励磁频率即系统工作的励磁频率。
2．标定因子
标定因子是为了使系统适用于多种不同型号的传感器而设定的参数，通过对标定因子的调节，可以实现系统在不同传感器上的测量。
3．系统瞬时流速
对于不同型号的传感器系统可测的流速有微小的差别，因此向用户提供系统可测的瞬时流速适合有必要的。
4．传感器
本信号转换器刁i是仅仅与一类固定内径的传感器配套使用，它可以与几类不同内径的传感器结合使用，那么当要计算流过管道的累计流量，知道传感器管道的内径是十分必要的。因此{殳计传感器菜单，用于设置当前与信号转换器相接的传感器的管道内径，以保证系统算出正确的累计流量数值。
5．测量流速范围
转换器可测量的流量取决于系统的性能。为了让信号变送器可以满量程工作，将系统可测的流速范围设置为可设参数，使用户可以根据自身的需求设定实际测量流速范围。由于本系统由可测流速的局限，因此也限制了流速范围3R的设置，本系统将该参数数值的设置范围设定为可测量的流量的5％一100％。
6．脉冲系数要实现将瞬时流量的数值转换成脉冲对外输出，需要定义每对应多大的瞬时流量对外要输出多少个脉冲。将该参数命名为脉冲系数，它的含义是每单位的流量对应的脉冲数。将该参数定义为可设置参数，参数的设置范围为O．00卜1000， 单位是每升多少个脉冲。
7．脉冲宽度系统要求瞬时流量的脉冲输出中的脉冲宽度是可调整的，因此定义脉冲宽度稀疏，将脉冲宽度参数设计成用户可设置。本系统将该参数的设置范围定义为O．0032ms一2000ms。
8．电流输出
根据系统的需求分析，要实现系统电流输出的功能，但不同的用户对于输出电流的大小要求是不相同的，因此定义不同的电流输出范围如下4—20mA、O一20mA、0一lOmA、2一lOmA、O一5lIIA、O一10—20mA、4一12—20mA，满足不同用户对电流输出的要求。
6．阻尼系数对于不同的工作场合，对于检测仪表的响应速度有不同的要求。设计阻尼系数用于方便用户根据自身的需要设定仪表响应速度。木系统将阻尼系数的设茕范围设置在0．1s到99．9s之间。
7．标定系数为了便于系统进行实流标定，定义标定系数。通过调整系统的标定系数可调节系统稳态误差。
8．系统工作零点系统工作零点也就是传感器内液体流速为Om／s时系统的输入。
9．系统电极电压零点系统电极电压零点定义为传感器内液体流速为Om／s时系统电极电压的输入。
10．系统正反向满量程工作点系统满量程工作点定义为传感器内液体流速为系统可测流速时系统的输入。由于管道内流速有正反向之分，因此满量程工作点也分为正反向满量程工作点。
根据以上设计，设计软件系统用户可设置菜单如图3．8所示图3．8系统可设置菜单F唔3．8 system con矗guration menu 报警子菜单下层菜单如下所示： 图3．9报警子菜单F嘻3．9 submenu Alarm 功能检测子菜单下层如F所示， 图3．11累计流量子菜单Fig．3．1 1 submenuTotalizer 显示模式子菜单及其子菜单如下图所示： 图3．12显示子菜单Fig．3．12 submenu display 仪表调节子菜单以及下层菜单如下所示：扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、V锥流量计、V型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：
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