【正文】 第一章 緒論 1． 1 本課題的來(lái)源及研究對(duì)象 石油化工是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其所實(shí)現(xiàn)的利潤(rùn)約占全國(guó)國(guó)有及國(guó)有控股企業(yè)總利潤(rùn)的 1/4 左右。 油井產(chǎn)量的計(jì)量是油田生產(chǎn)管理中的一項(xiàng)重要工作，對(duì)油井產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的計(jì)量，對(duì)掌握油藏狀況，制定生產(chǎn)方案，具有重要的指導(dǎo)意義。目前國(guó)內(nèi)各油田采用的油井產(chǎn)量計(jì)量方法主要有玻璃管量油孔板測(cè)氣、翻斗量油孔板測(cè)氣、兩相分離密度法和三相分離計(jì)量方法等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，油田越來(lái)越需要功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的油井計(jì)量設(shè)備以提高勞動(dòng)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(kāi)采，就得在開(kāi)采過(guò)程中直接加入降粘劑，如果加少了，石油抽不上來(lái)，加多了又造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，由此引出了這個(gè)恒流量的控制系統(tǒng)。 綜上所述，無(wú)論是在石油的開(kāi)采過(guò)程中注入降粘劑，還是在石油的計(jì)量及運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)于流量都要求一定的精確計(jì)量和控制。因此，本課題就是針對(duì)這一具體實(shí)際要求，通過(guò)對(duì)當(dāng)前一些相關(guān)領(lǐng)域的分析和研究，設(shè)計(jì)出了一種基于 AT89C51 單片機(jī)的控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)的研究對(duì)象就是液體如石油、水等的流量，通過(guò)對(duì)流量的檢測(cè)，完成對(duì)流量的控制。流量有瞬時(shí)流量和累積流量?jī)煞N單位。瞬時(shí)流量指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管 道橫截面的流體的數(shù)量；累積流量指一段時(shí)間內(nèi)的總流量。瞬時(shí)流量可以用體積流量、質(zhì)量流量和重量流量三種方法來(lái)表示，而前兩種表示方法最為常用。除了上述瞬時(shí)流量之外，生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)還需要測(cè)量某段時(shí)間之內(nèi)流體通過(guò)的累積總量，稱(chēng)為累積流量，也常被稱(chēng)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(guò)程參數(shù)之一。流量是衡量設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。 1． 2 研究目的、意義及研究?jī)?nèi)容 （ 1）研究?jī)?nèi)容：本課題的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì) 流量進(jìn)行檢測(cè)，主要由流量傳感器采集流量信息，然后經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)離散化后傳給單片機(jī)，單片機(jī)在軟件系統(tǒng)的控制下，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置和預(yù)期的控制要求 ,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確控制閥門(mén)的開(kāi)度 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制。其中，硬件電路的搭接是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是本課題的核心。硬件電路部分，采用 AT89C51 單片機(jī)，外擴(kuò) EPROM 存儲(chǔ)器，構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)的主體部分。通過(guò)電磁流量傳感器， AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸入，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥門(mén)來(lái)控制輸出。一些其他的功能，如設(shè)定值輸入，數(shù)碼管顯示則通過(guò)擴(kuò)展I/O 接口芯 片 8155 來(lái)完成相應(yīng)的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，分別對(duì)撥碼盤(pán)設(shè)定值輸入，步進(jìn)電機(jī)控制， AD 轉(zhuǎn)換控制，數(shù)碼管顯示等程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)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(wú)論上從節(jié)約能源的角度，還是從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看 ,對(duì)于流量的精確控制都是十分必要的，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也是十分明顯的。在自來(lái)水的監(jiān)測(cè)與流量控制中，應(yīng)用高精度的流量計(jì)量與控制儀表也是必須的，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分巨大且顯而易見(jiàn)的。 開(kāi)展石油化工過(guò)程流程模擬、先進(jìn)控制與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí) 意義，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外石油化工界廣泛關(guān)注的一個(gè)話題。自動(dòng)化技術(shù)可以提高計(jì)量準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時(shí)性，為優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行、核算經(jīng)濟(jì)效益、強(qiáng)化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度，避免職業(yè)傷害，延長(zhǎng)設(shè)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(jì)概述 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，流量是重要的過(guò)程參數(shù)之一。流量是衡量設(shè)備的效率和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)工業(yè)生產(chǎn)中，常用測(cè)量和控制流量來(lái)確定物料的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng) 化和最優(yōu)控制。同時(shí)為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，也必須知道如一個(gè)班組流過(guò)的介質(zhì)總量。所以，流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。 所謂流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的物料數(shù)量，即瞬時(shí)流量。 1． 3． 1 流量計(jì)的分類(lèi) 在流體工業(yè)中有大量的物料（流體）需要通過(guò)管道來(lái)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(cè)、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(hù)環(huán)境，對(duì)管道中流體的測(cè)量和控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化就成為生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)任務(wù)。 工業(yè) 上常用的流量計(jì)種類(lèi)很多，如按照其測(cè)量原理來(lái)分類(lèi)，大致有四類(lèi)：差壓式流量計(jì)，速度式流量計(jì)，容積式流量計(jì)及其它類(lèi)型流量計(jì)如基于電磁感應(yīng)原理的電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。 差壓式流量計(jì)主要利用管內(nèi)流體通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，其流量與節(jié)流裝置前后的壓差有一定的關(guān)系，只要設(shè)法測(cè)出這一壓差值，就可求得流量之犬小。屬于這一類(lèi)流量計(jì)的有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置及轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。節(jié)流裝置的發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，又因?yàn)閼?yīng)用廣泛，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都有這方面的標(biāo)準(zhǔn)；轉(zhuǎn)子流量計(jì)又名浮子流量計(jì)，它是工業(yè)上最常用的一種流量?jī)x表，它具有壓力損失小，可以 用來(lái)測(cè)量液體或氣體的流量，而且適宜在 200mm的小管徑上測(cè)量。但轉(zhuǎn)子流量計(jì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了它只能安裝在垂直流動(dòng)的錐形管子上使用，而流體介質(zhì)的流向應(yīng)該是自下而上的。 速度式流量計(jì)主要利用管內(nèi)流體的速度來(lái)推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的瞬時(shí)流量成正比，一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)與該時(shí)間段的累積總流量成正比。屬于這類(lèi)流量計(jì)的有葉輪式水表和渦淪流量計(jì)等。家用自來(lái)水表就是典型的葉輪式流量計(jì)，葉輪式自來(lái)水表比較簡(jiǎn)單價(jià)廉，但精確度不高。渦淪流量計(jì)的基本原理是渦輪在流體流動(dòng)的作用力推動(dòng)之下不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度， 也就是訊號(hào)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(cè)量這一頻率數(shù)就可確定流體的瞬時(shí)流量和累積流量值。渦輪流量計(jì)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(shí)還必須嚴(yán)格要求流體純凈。 容積式流量計(jì)主要利用流體連續(xù)通過(guò)一定容積之后進(jìn)行流量累計(jì)的原理。屬于這類(lèi)流量計(jì)有橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪（羅茨）流量計(jì)等。橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪流量計(jì)原理相近，通過(guò)測(cè)量腰輪或齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)就可知道累計(jì)總?cè)莘e，這種儀表精確度較高，但只適應(yīng)小流量的測(cè)量。 其它類(lèi)型的流量計(jì)有電磁式流量計(jì)和超聲 波流量計(jì)等。電磁式流量計(jì)利用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)主感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向又右手定則確定，其大小有磁感應(yīng)強(qiáng)度 B、導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度 L、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)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(cè)導(dǎo)電流體的流量。但是由于感應(yīng)電勢(shì)很小，一般為毫伏數(shù)量級(jí)，故對(duì)抗干擾要求很高，且流體必須具有導(dǎo)電性。對(duì)于大管徑流量方面，電磁式流量計(jì)較前面所述的流量計(jì)具有較大優(yōu)勢(shì)，它可以制成直徑 3M 的流量計(jì)。 超聲波流量計(jì)是一種較新的測(cè)量方法，它利用超聲波在流體中的傳播速度與流體流動(dòng)速度有關(guān)，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量 。這種方法也不會(huì)造成壓力損失，并且適合于大管徑、非導(dǎo)電性、強(qiáng)腐蝕性的液體或氣體流量的測(cè)量。 分析比較以上幾種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，前三種中雖然有的測(cè)量精度較高，但是都有一定的壓力損失，因?yàn)檫@些方法對(duì)流動(dòng)或多或少有些阻力，而且只適用于小管徑的流量測(cè)量；而電磁式和超聲式流量計(jì)則可維持管道暢通無(wú)阻，或者說(shuō)壓力損失微不足道，而且對(duì)于大管徑流量測(cè)量具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；從電磁式和超聲式來(lái)比較，超聲式對(duì)于大管徑的流量測(cè)量更具有優(yōu)勢(shì)，且抗干擾能力比電磁式要強(qiáng)。 1． 3． 2 電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介 一、概述 電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定 律研制成功的一種流量計(jì)，重要用于測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量。 20 世紀(jì) 30 年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計(jì)的理論， 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 70、 80 年代電磁流量計(jì)技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類(lèi)儀表，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，可測(cè)介質(zhì)范圍也從電導(dǎo)率很低的蒸餾水到電導(dǎo)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(shè)計(jì)方法。電磁流量計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有 級(jí)精度的商品化電磁流量計(jì)出現(xiàn)。 電磁流量計(jì)采用的原理與常見(jiàn)的差壓式流量計(jì)不同，后者需要在管道中設(shè)置一定的檢測(cè)元件，因此也易造成堵塞，且會(huì)帶來(lái)一定的壓力損失。而電磁流量計(jì)以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)安裝在管道兩側(cè)的磁鐵，以流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)知管道內(nèi)液體的流速和流量。 由電磁流量計(jì)的測(cè)量過(guò)程，不難看出它有以下主要優(yōu)點(diǎn)： 1）屬于非接觸性?xún)x表，測(cè)量管段是光滑直管，管內(nèi)沒(méi)有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流元件，不會(huì)引起額外的壓力損失，節(jié)能效果好，可用于測(cè)量各種粘度的液體，特別適于測(cè)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(méi)有其他組件與液體直接接觸，因此它還適于測(cè)量腐蝕 性大的液體，由此形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。 2）流量計(jì)測(cè)量過(guò)程不受被測(cè)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(biāo)定后就可用于測(cè)量其他導(dǎo)電液體的流量。 3）電磁場(chǎng)的產(chǎn)生是極快的過(guò)程，因此電磁流量計(jì)反應(yīng)速度快，無(wú)機(jī)械慣性，可以測(cè)量瞬時(shí)流量，還可測(cè)水平或垂直管道中兩個(gè)軸向的流量。 4）流量計(jì)輸出只與被測(cè)介質(zhì)的流速有關(guān)，量程范圍寬。 5）應(yīng)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(chǎng)所，中小口徑常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合，如造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液，大口徑多用于給排水工程。 同時(shí)電磁流量計(jì)也有以下一些 不足之處：不能測(cè)較高溫度流量；不能測(cè)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(fù)雜，成本較高。 二、電磁流量計(jì)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(cè)量管上下裝有勵(lì)磁線圈，通勵(lì)磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過(guò)測(cè)量管，一對(duì)電極裝在測(cè)量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送到轉(zhuǎn)換器，勵(lì)磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。轉(zhuǎn)換器將傳感器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(cè)量管組件、磁路系統(tǒng)等部分組成 。 1．測(cè)量管組件 測(cè)量管位于傳感器中心，它的材料及制造應(yīng)滿足下列要求： 1）必須由不導(dǎo)磁材料制成，以使磁力線能進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)； 2）一般還應(yīng)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(cè)量管（如不銹鋼）時(shí)，整根測(cè)量管的內(nèi)側(cè)應(yīng)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(gè)磁場(chǎng)，而產(chǎn)生的磁場(chǎng)波形由選用的勵(lì)磁方式?jīng)Q定。勵(lì)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(lì)磁、正弦交流勵(lì)磁、恒電流方波勵(lì)磁三種。 （ 1）直流勵(lì)磁 利用永磁體或者直流電源勵(lì)磁產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單可靠，受交流磁場(chǎng)干擾小。但其顯著缺點(diǎn)是直流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在兩個(gè)電極表面形成固定的正負(fù)極性，引起被測(cè)介質(zhì)電解，電極間電阻增大，感生的流量產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)減小。所以這種方式只適合于非電解質(zhì)的導(dǎo)電液體（如液態(tài)金屬）的測(cè)量。 （ 2）正弦交流勵(lì)磁 利用正弦交流電給電磁流量傳感器中的勵(lì)磁繞組供電，產(chǎn)生交流正弦磁場(chǎng)，能避免直流勵(lì)磁所帶來(lái)的電極極化問(wèn)題，缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)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(hào)滯后 90176。的干擾信號(hào)，途徑之一是導(dǎo)電液體和外電路 構(gòu)成的閉合回路在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；其二是被測(cè)導(dǎo)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(hào)一致的干擾信號(hào)，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(shí)際應(yīng)用中可采用降低電源頻率、嚴(yán)格電磁屏蔽、線路補(bǔ)償、使用獨(dú)立地線等方法，減小這些干擾的影響。 （ 3）恒電流方波勵(lì)磁 勵(lì)磁電流大小恒定，克服了直流勵(lì)磁帶來(lái)的電極極化問(wèn)題，但線路較為復(fù)雜。 電磁流量轉(zhuǎn)換器的作用是通過(guò)內(nèi)部的線性放大器將傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大，并裝 換成標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓或頻率輸出，實(shí)現(xiàn)流量的顯示、記錄、積算等功能。此外，針對(duì)相應(yīng)的勵(lì)磁方式，內(nèi)部電路中還應(yīng)包括抗干擾電路。 三、電磁流量計(jì)的選用和安裝 （一）選用 電磁流量計(jì)的選用應(yīng)綜合使用場(chǎng)合、被測(cè)介質(zhì)、測(cè)量要求等因素來(lái)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(jì)，有爆炸性危險(xiǎn)的場(chǎng)合則應(yīng)選用防爆型，醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)則可選用衛(wèi)生型。 對(duì)于測(cè)量精度的選擇也應(yīng)視具體情況而定，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)追求精度等級(jí)高的流量計(jì)，例如一些高精度的電磁流量計(jì)誤差可以達(dá)到177。（ ～ 1）﹪，可用于昂貴介質(zhì)的精確測(cè) 量，而一些低精度流量計(jì)成本較為低廉，用于對(duì)控制調(diào)節(jié)等一般要求的場(chǎng)合。 被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性、磨蝕性、流速、流量等因素也會(huì)影響電磁流量計(jì)的選擇，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)因情況而合理選擇，具體可查詢(xún)相關(guān)手冊(cè)。 （二）傳感器的安裝 傳感器的安裝應(yīng)注意以下問(wèn)題： 1）避免安裝在周?chē)袕?qiáng)腐蝕性氣體的場(chǎng)所；避免安裝在周?chē)须妱?dòng)機(jī)、變壓器等可能帶來(lái)電磁干擾的場(chǎng)合；如果測(cè)量對(duì)象是兩相或多相流體，應(yīng)避免可能會(huì)使流體相分離的場(chǎng)所；避免安裝在可能被雨水浸沒(méi)的場(chǎng)所，避免陽(yáng)光直射。 2）水平安裝時(shí)，電極軸應(yīng)處于水平，防止流體夾帶氣泡可能引起的電極短 時(shí)間絕緣；垂直安裝時(shí)流動(dòng)方向應(yīng)向上，可使較輕顆粒上浮離開(kāi)傳感電極區(qū)。 3）傳感器應(yīng)采取接地措施以減小干擾的影響。在一般情況下，可通過(guò)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(dǎo)電的管道或者沒(méi)有參比電極，可以將流體通過(guò)接地環(huán)接地。 本控制系