【正文】 第一章 緒論 1． 1 本課題的來源及研究對象 石油化工是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其所實現(xiàn)的利潤約占全國國有及國有控股企業(yè)總利潤的 1/4 左右。 油井產(chǎn)量的計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作，對油井產(chǎn)量進行準確、及時的計量，對掌握油藏狀況，制定生產(chǎn)方案，具有重要的指導意義。目前國內(nèi)各油田采用的油井產(chǎn)量計量方法主要有玻璃管量油孔板測氣、翻斗量油孔板測氣、兩相分離密度法和三相分離計量方法等。隨著技術(shù)的進步，油田越來越需要功能強、自動化程度高的油井計量設備以提高勞動生產(chǎn)率和油田的管理水平。 除此以外 , 為了使高 粘度的石油得到開采，就得在開采過程中直接加入降粘劑，如果加少了，石油抽不上來，加多了又造成經(jīng)濟浪費，由此引出了這個恒流量的控制系統(tǒng)。 綜上所述，無論是在石油的開采過程中注入降粘劑，還是在石油的計量及運輸過程中，對于流量都要求一定的精確計量和控制。因此，本課題就是針對這一具體實際要求，通過對當前一些相關領域的分析和研究，設計出了一種基于 AT89C51 單片機的控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的研究對象就是液體如石油、水等的流量，通過對流量的檢測，完成對流量的控制。流量有瞬時流量和累積流量兩種單位。瞬時流量指單位時間內(nèi)通過管 道橫截面的流體的數(shù)量；累積流量指一段時間內(nèi)的總流量。瞬時流量可以用體積流量、質(zhì)量流量和重量流量三種方法來表示，而前兩種表示方法最為常用。除了上述瞬時流量之外，生產(chǎn)過程中有時還需要測量某段時間之內(nèi)流體通過的累積總量，稱為累積流量，也常被稱為總流量。質(zhì)量總量以 M 表示，體積流量以 Qv 表示。流量是重要的過程參數(shù)之一。流量是衡量設備的效率和經(jīng)濟性的重要指標；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，流量的測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的一項重要任務。 1． 2 研究目的、意義及研究內(nèi)容 （ 1）研究內(nèi)容：本課題的主要研究內(nèi)容是對 流量進行檢測，主要由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機，單片機在軟件系統(tǒng)的控制下，根據(jù)預先的設置和預期的控制要求 ,通過步進電機來精確控制閥門的開度 ,實現(xiàn)對流量的精確控制。其中，硬件電路的搭接是本設計的重點，控制系統(tǒng)軟件的設計是本課題的核心。硬件電路部分，采用 AT89C51 單片機，外擴 EPROM 存儲器，構(gòu)成單片機控制系統(tǒng)的主體部分。通過電磁流量傳感器， AD 轉(zhuǎn)換器進行輸入，通過控制步進電機帶動閥門來控制輸出。一些其他的功能，如設定值輸入，數(shù)碼管顯示則通過擴展I/O 接口芯 片 8155 來完成相應的功能。系統(tǒng)軟件設計部分，分別對撥碼盤設定值輸入，步進電機控制， AD 轉(zhuǎn)換控制，數(shù)碼管顯示等程序進行了設計，并且設計了主程序和流量控制 PID 程序。 （ 2）研究目的及意義：由于石油是重要的能源，無論上從節(jié)約能源的角度，還是從經(jīng)濟性角度來看 ,對于流量的精確控制都是十分必要的，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也是十分明顯的。在自來水的監(jiān)測與流量控制中，應用高精度的流量計量與控制儀表也是必須的，所帶來的經(jīng)濟效益是十分巨大且顯而易見的。 開展石油化工過程流程模擬、先進控制與過程優(yōu)化技術(shù)的研究與應用具有十分重要的現(xiàn)實 意義，是當前國內(nèi)外石油化工界廣泛關注的一個話題。自動化技術(shù)可以提高計量準確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時性，為優(yōu)化生產(chǎn)運行、核算經(jīng)濟效益、強化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)過程，進一步降低泵站工業(yè)噪聲污染，改善職工工作條件，減輕勞動強度，避免職業(yè)傷害，延長設備使用壽命以及企業(yè)節(jié)能降耗工作起到積極作用。 1． 3 流量計概述 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，流量是重要的過程參數(shù)之一。流量是衡量設備的效率和經(jīng)濟性的重要指標；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，因為在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中，常用測量和控制流量來確定物料的配比與耗量，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動 化和最優(yōu)控制。同時為了進行經(jīng)濟核算，也必須知道如一個班組流過的介質(zhì)總量。所以，流量的測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的一項重要任務。 所謂流量是指單位時間內(nèi)通過某一截面的物料數(shù)量，即瞬時流量。 1． 3． 1 流量計的分類 在流體工業(yè)中有大量的物料（流體）需要通過管道來傳送，如石油生產(chǎn)企業(yè)中的石油傳輸和控制、污水處理企業(yè)中的污水傳送和檢測、化工企業(yè)中各種氣體的傳輸和控制。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，控制污氣污水的排放以保護環(huán)境，對管道中流體的測量和控制實現(xiàn)自動化就成為生產(chǎn)過程中必不可少的一項任務。 工業(yè) 上常用的流量計種類很多，如按照其測量原理來分類，大致有四類：差壓式流量計，速度式流量計，容積式流量計及其它類型流量計如基于電磁感應原理的電磁流量計和超聲波流量計等。 差壓式流量計主要利用管內(nèi)流體通過節(jié)流裝置時，其流量與節(jié)流裝置前后的壓差有一定的關系，只要設法測出這一壓差值，就可求得流量之犬小。屬于這一類流量計的有標準節(jié)流裝置及轉(zhuǎn)子流量計等。節(jié)流裝置的發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，又因為應用廣泛，國際和國內(nèi)都有這方面的標準；轉(zhuǎn)子流量計又名浮子流量計，它是工業(yè)上最常用的一種流量儀表，它具有壓力損失小，可以 用來測量液體或氣體的流量，而且適宜在 200mm的小管徑上測量。但轉(zhuǎn)子流量計因為其結(jié)構(gòu)上的特點決定了它只能安裝在垂直流動的錐形管子上使用，而流體介質(zhì)的流向應該是自下而上的。 速度式流量計主要利用管內(nèi)流體的速度來推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的瞬時流量成正比，一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)與該時間段的累積總流量成正比。屬于這類流量計的有葉輪式水表和渦淪流量計等。家用自來水表就是典型的葉輪式流量計，葉輪式自來水表比較簡單價廉，但精確度不高。渦淪流量計的基本原理是渦輪在流體流動的作用力推動之下不斷轉(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)動的角速度， 也就是訊號的頻率數(shù)，它基本上與流體介質(zhì)的體積流量值成正比，測量這一頻率數(shù)就可確定流體的瞬時流量和累積流量值。渦輪流量計具有較高的精度，但由于它具有軸承部分，所以影響了儀表的使用范圍和壽命，同時還必須嚴格要求流體純凈。 容積式流量計主要利用流體連續(xù)通過一定容積之后進行流量累計的原理。屬于這類流量計有橢圓齒輪流量計和腰輪（羅茨）流量計等。橢圓齒輪流量計和腰輪流量計原理相近，通過測量腰輪或齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)就可知道累計總?cè)莘e，這種儀表精確度較高，但只適應小流量的測量。 其它類型的流量計有電磁式流量計和超聲 波流量計等。電磁式流量計利用導體在磁場中運動切割磁力線時，就會產(chǎn)主感應電動勢，其方向又右手定則確定，其大小有磁感應強度 B、導體在磁場內(nèi)的長度 L、導體的運動速度 V三者的乘積決定，這就是法拉第定律。根據(jù)此原理可以測導電流體的流量。但是由于感應電勢很小，一般為毫伏數(shù)量級，故對抗干擾要求很高，且流體必須具有導電性。對于大管徑流量方面，電磁式流量計較前面所述的流量計具有較大優(yōu)勢，它可以制成直徑 3M 的流量計。 超聲波流量計是一種較新的測量方法，它利用超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關，據(jù)此可以實現(xiàn)流量測量 。這種方法也不會造成壓力損失，并且適合于大管徑、非導電性、強腐蝕性的液體或氣體流量的測量。 分析比較以上幾種流量計的優(yōu)缺點，前三種中雖然有的測量精度較高，但是都有一定的壓力損失，因為這些方法對流動或多或少有些阻力，而且只適用于小管徑的流量測量；而電磁式和超聲式流量計則可維持管道暢通無阻，或者說壓力損失微不足道，而且對于大管徑流量測量具有絕對的優(yōu)勢；從電磁式和超聲式來比較，超聲式對于大管徑的流量測量更具有優(yōu)勢，且抗干擾能力比電磁式要強。 1． 3． 2 電磁流量計簡介 一、概述 電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定 律研制成功的一種流量計，重要用于測量導電液體體積流量。 20 世紀 30 年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計的理論， 20 世紀 50 年代開始進入工業(yè)應用領域。 20 世紀 70、 80 年代電磁流量計技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應用領域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等多個領域，可測介質(zhì)范圍也從電導率很低的蒸餾水到電導率很高的液態(tài)金屬，并有成熟的耐高溫高壓及高腐蝕性的設計方法。電磁流量計已基本實現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有 級精度的商品化電磁流量計出現(xiàn)。 電磁流量計采用的原理與常見的差壓式流量計不同，后者需要在管道中設置一定的檢測元件，因此也易造成堵塞，且會帶來一定的壓力損失。而電磁流量計以電磁感應定律為基礎，通過安裝在管道兩側(cè)的磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產(chǎn)生的感應電動勢測知管道內(nèi)液體的流速和流量。 由電磁流量計的測量過程，不難看出它有以下主要優(yōu)點： 1）屬于非接觸性儀表，測量管段是光滑直管，管內(nèi)沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流元件，不會引起額外的壓力損失，節(jié)能效果好，可用于測量各種粘度的液體，特別適于測量含固體顆粒的液固混合流，如紙漿、泥漿、污水等。此外除電極外沒有其他組件與液體直接接觸，因此它還適于測量腐蝕 性大的液體，由此形成了獨特的應用領域。 2）流量計測量過程不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度等因素的影響，因此只需一次經(jīng)水標定后就可用于測量其他導電液體的流量。 3）電磁場的產(chǎn)生是極快的過程，因此電磁流量計反應速度快，無機械慣性，可以測量瞬時流量，還可測水平或垂直管道中兩個軸向的流量。 4）流量計輸出只與被測介質(zhì)的流速有關，量程范圍寬。 5）應用口徑范圍大，小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥衛(wèi)生等有衛(wèi)生要求的場所，中小口徑常用于高要求或難測場合，如造紙工業(yè)測量紙漿液，大口徑多用于給排水工程。 同時電磁流量計也有以下一些 不足之處：不能測較高溫度流量；不能測氣體、蒸汽以及含有大量氣泡的液體；易受外界電磁干擾，造成輸出精度受影響；結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。 二、電磁流量計的結(jié)構(gòu) 在結(jié)構(gòu)上電磁流量傳感器由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。 測量管上下裝有勵磁線圈，通勵磁電流后產(chǎn)生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應電動勢送到轉(zhuǎn)換器，勵磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號成正比的標準信號輸出，最終完成顯示、記錄和調(diào)節(jié)控制等功能。 電磁流量傳感器主要由測量管組件、磁路系統(tǒng)等部分組成 。 1．測量管組件 測量管位于傳感器中心，它的材料及制造應滿足下列要求： 1）必須由不導磁材料制成，以使磁力線能進入被測介質(zhì)； 2）一般還應由高阻抗材料構(gòu)成，如玻璃鋼或不銹鋼，以減小渦電流帶倆的損耗。 3）在使用金屬做測量管（如不銹鋼）時，整根測量管的內(nèi)側(cè)應涂有絕緣層或襯墊絕緣套管，以避免流體中的電流被管壁短路。 2．磁路系統(tǒng) 磁路系統(tǒng)的作用是要產(chǎn)生一個磁場，而產(chǎn)生的磁場波形由選用的勵磁方式?jīng)Q定。勵磁方式的不同直接影響到儀表的抗干擾性，常用的有直流勵磁、正弦交流勵磁、恒電流方波勵磁三種。 （ 1）直流勵磁 利用永磁體或者直流電源勵磁產(chǎn)生恒定磁場，簡單可靠，受交流磁場干擾小。但其顯著缺點是直流感應電動勢在兩個電極表面形成固定的正負極性，引起被測介質(zhì)電解，電極間電阻增大，感生的流量產(chǎn)生的電動勢減小。所以這種方式只適合于非電解質(zhì)的導電液體（如液態(tài)金屬）的測量。 （ 2）正弦交流勵磁 利用正弦交流電給電磁流量傳感器中的勵磁繞組供電，產(chǎn)生交流正弦磁場，能避免直流勵磁所帶來的電極極化問題，缺點是會帶來一系列的磁干擾和噪聲，如串模干擾和共模干擾。 創(chuàng)模干擾：在相位上比流量信號滯后 90176。的干擾信號，途徑之一是導電液體和外電路 構(gòu)成的閉合回路在交變磁場作用下產(chǎn)生的感應電動勢；其二是被測導電流體形成流柱，在垂直于磁力線的軸向截面上產(chǎn)生渦電流。 共模干擾：頻率相位與流量信號一致的干擾信號，產(chǎn)生的主要原因之一是絕緣電阻和分布電容產(chǎn)生分壓；之二是雜散電流在地線上產(chǎn)生壓降。 實際應用中可采用降低電源頻率、嚴格電磁屏蔽、線路補償、使用獨立地線等方法，減小這些干擾的影響。 （ 3）恒電流方波勵磁 勵磁電流大小恒定，克服了直流勵磁帶來的電極極化問題，但線路較為復雜。 電磁流量轉(zhuǎn)換器的作用是通過內(nèi)部的線性放大器將傳感器輸出的毫伏級電壓信號放大，并裝 換成標準電流、電壓或頻率輸出，實現(xiàn)流量的顯示、記錄、積算等功能。此外，針對相應的勵磁方式，內(nèi)部電路中還應包括抗干擾電路。 三、電磁流量計的選用和安裝 （一）選用 電磁流量計的選用應綜合使用場合、被測介質(zhì)、測量要求等因素來考慮。 一般的化工、冶金、污水處理等行業(yè)可以選用通用型電磁流量計，有爆炸性危險的場合則應選用防爆型，醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)則可選用衛(wèi)生型。 對于測量精度的選擇也應視具體情況而定，應在經(jīng)濟允許范圍內(nèi)追求精度等級高的流量計，例如一些高精度的電磁流量計誤差可以達到177。（ ～ 1）﹪，可用于昂貴介質(zhì)的精確測 量，而一些低精度流量計成本較為低廉，用于對控制調(diào)節(jié)等一般要求的場合。 被測介質(zhì)的腐蝕性、磨蝕性、流速、流量等因素也會影響電磁流量計的選擇，實際應用中應因情況而合理選擇，具體可查詢相關手冊。 （二）傳感器的安裝 傳感器的安裝應注意以下問題： 1）避免安裝在周圍有強腐蝕性氣體的場所；避免安裝在周圍有電動機、變壓器等可能帶來電磁干擾的場合；如果測量對象是兩相或多相流體，應避免可能會使流體相分離的場所；避免安裝在可能被雨水浸沒的場所，避免陽光直射。 2）水平安裝時，電極軸應處于水平，防止流體夾帶氣泡可能引起的電極短 時間絕緣；垂直安裝時流動方向應向上，可使較輕顆粒上浮離開傳感電極區(qū)。 3）傳感器應采取接地措施以減小干擾的影響。在一般情況下，可通過將參比電極或金屬管將管中流體接地，將傳感器的接地片與地線相連。如果是非導電的管道或者沒有參比電極，可以將流體通過接地環(huán)接地。 本控制系