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流量检测系统的组成及流量采集原理

流量检测系统的组成

采用FlomecOM004椭圆齿轮流量计作为流量传感器：通过串口输出脉冲信号(频率范畴随测量的流量大小成线性变化)，以便于作为AVR单片机输入信号：7通道共享1个流量计，用7支2位3通电磁阀实现各个通道与流量计间的逐一切换：各个通道均装备滤清器。

该设计的电气控制部分实质上是一套计算机测控系统。需要控制的部分为油路的启停；需要采集的信号为流量脉冲信号。通过RS485标准串口通信，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的自动检测系统。

流量采集原理

椭圆齿轮流量计时最典型的容积式流量计，工作原理为腔内的一对相互齿合的椭圆齿轮作为转子，两个齿轮和腔内分别构成一个固定的体积，称为标准容积。小型椭圆齿轮流量计采用液体流动推动两个非常精密的椭圆转子转动的方式测量流量(图1)。感应探头是检测转动的运动并把它转化为脉冲数字电信号源，它的电磁线电压输出值接近正选曲线，脉冲信号源的频率范畴随测量的流量大小成线性变化。

流量检测系统设计

系统开发设计

流量检测系统采用两级计算机通信系统实现。上位机采用通用计算机，下位机采用AVR单片机控制。上位机和下位机之间以串行数据传输方式进行通信。上位机通过RS-485串口向单片机发指令、单片机接收到指令后对指令进行译码。根据通信协议约定的控制方式，单片机采取一定的算法对7路油路中的电磁阀进行开闭控制，进而使相应的油路中的液体进入流量传感器中。单片机在收到来经过处理的传感器脉冲信号后进行相应的流量基计算，并将信息传给上位计算机。上位计算机在组态王软件的支持下对采集的数据进行处理，并显示在屏幕上。

系统功能简要概括为以下：

(1)系统能够响应上位机通过RS485串口的控制命令：

(2)控制7路油路的三通电磁阀打开和关闭，进行油路的选择；

(3)系统能够测量被选择的l路油路的油量：

(4)通过KS485通信输出油量的流量数值：

柴油机燃油喷射量流量参数要求

强烈的脉动流动：

流量范围宽：最小流量，3.5mL／min：最大流量，600mL／min。

测量精度高：在小流量时，分辨率要小于±0.2mL／min：在大流量时、分辨率要小于±2mL／min。

设备选型

本设计采用Atmel公司的公司高性能低功耗AVR单片机ATMEGAl6做为检测系统的核心。根据确定的流量检测的系统结构，选择Flomec0M004椭圆齿轮流量计作为智能传感器，它将测到的流量转换为脉冲形式的数字信号输

硬件电路设计

流量检测系统硬件电路框图如图2所

电源电路设计

电源的设计要求越来越严格，已经重电源供电上升到电源管理的高度。电源的设计是一个系统能否良好稳定工作的前提保证，电源的优劣关系到系统工作的好坏。本系统的电源其有+24V、+12V、+SV。其中+24V电源由开关电源输出，用来作为电磁阀及系统其他电源的输入。系统的+12V电源用于击打电磁的供电，它可有DC-DC变换器MC33063将+24V降压得到。控制系统的+5V电源由开关稳压电源器件LM2576对+12V电压进行降压得到，它为单片机及其接口系统提供电源。其中R49和D20放光二极管组成电源工作指示灯：为防止电源正负极反接，损坏系统，接入电源输入保护电路。如图3所示

主机(单片机)控制电路设计

主机(单片机)控制电路设计包括复位电路、晶振电路、JTAG下载接口电路设计、串行通信接口电路设计。电路如图4所示，部分电路采用AVR单片机官方推荐电路。

软件设计

流量检测系统的软件包括单片机程序和上位机运行的组态王应用程序。

单片机软件设计

流量检测系统的单片机控制系统采用模块化程序结构。根据模块化软件设计的要求将整个程序从分为如下模块。

(1)系统初始化模块：设计计数器工作模式、中断方式、I／O口初始化、寄存器初始化。

(2)组态王通讯协议模块：组态王和单片机的协议，处理来自上位机的命令。

(3)监控程序模块：控制电磁阀油路的打开和闭合

(4)命令控制模块：流量的更新和继电器处理

(5)流量信号数据采集与处理模块：采集流量信号并计算处理。

(6)串口通信模块：与上位机的通信中断服务。

系统主程序设计

流量检测系统用来对油路流量进行实时监控。把测量值进行算法计算后串口通信传给上位机，同时上位机对数值进行显示并判断是否关闭阀门：并将命令通过串口回传给单片机驱使相应的阀门做出动作(如图5)。

脉冲信号计算程序

传感器输出一个脉冲为一个单位体积，计算工作主要是计算单位时间内有几个脉冲输出，从而测出流速；系统采用16位定时器产生1000Hz的固定计数时钟，在OCRA计数器的比较中断里面进行数值的增加，在输入捕捉中捕获传感器脉冲。两个脉冲之间会得到以1000Hz为单位的计数个数，从而得到两个脉冲之间的时间(以秒为单位)，每个脉冲的计量值是0.346mL，将其除以脉冲之间的时间(以分钟为单位)，就得到了以mL／min为单位的流量值。

组态王通信协议处理程序

通信协议处理程序包括3部分：对组态王的查询命令做应答处理；组态王从单片机读取数据处理：组态王向单片机写数据处理。上位机组态王监控软件设计

本次设计中使用的是北京亚控公司开发的组态软件“组态王”，版本为“组态王6.53”作为流量测试上位机的检测软件。

组态王的通讯配置

上位机通信采用COMI，在组态王的工程浏览器中点击设备＼COMl，在右面窗口中双击新建，出现设备配置向导，设置智能模块＼单片机＼通用单片机HEX＼串口，点击下一步，逻辑设备命名为流量检测，选择COMl口：接着配置COMl口通讯参数，参数为1位起始位，8位数据位，1位结束位，0位奇偶校验位，波特率为9600bps。

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【关键词】物联网；交通工程；无线传感器网络；流量监测

一、引言

自改革开放以来，我国便致力于研究交通信息采集的相关系统及其关键技术，截止现阶段，已成功采集到行业时速、车道的汽车流量、车辆的间时距及其车辆类型等相关交通信息。同时，上述技术和系统仍存在着一系列问题：使用成本较高、使用寿命短及其采集装置安装维护困难，因此，需采取有效措施大大提升监测系统的监测性能及工作效率。此时越来越多的研究人员设想能够凭借GPS无线通信技术、射频识别模块、激光扫描器及其红外感应装置设计出区域联网交通流量预测系统，成功监测到区域网内的车流量信息，进而辅助交通部门实施车辆管理，规避堵车现象的发生。

二、交通流量监测系统设计与实现

（一）系统架构设计

交通流量监测系统是以物联网ZigBee技术的树型网络特征为出发点，利用CC2430处理器，力争构建起以PC机连接协调中心为节点，以无线车辆运动状态检测器为节点的控制中心。对于车载监测传感器来说，其数据采集和处理流程主要体现在：一是无线车辆运动状态监测器集成MODEL2420三轴加速度传感器，便于车辆安装携带；二是车载监测传感器中通过安装数据分析程序，能够准确及时的收集到周边的信息，从而确定周边的车辆流动状况；三是利用监测区域内的车载传感器节点，采取射频端无线通信方式将车流量信息数据实时发送到交通流量监测系统中的协调器中；四是协调器接收到车载传感发送的车流量信息数据后，对其解码分析，并转发至控制中心的服务程序，从而得到相应的信息，交通部门可依据这些信息判别交通状况。

图1为交通流量监测系统构架图，该图中假设了三类车辆：类型I车辆、类型II车辆、类型III车辆。交通流量监测系统构架图中“虚线圆”范围为类型I车辆，其包含了类型III车辆1和类型I车辆4。利用车载传感器节点采集到所需数据后，并运用无线通信将其传递至协调器节点，之后转发至控制中心进行分析，待控制中心分析后直接将其传送至物联网上，以便车辆驾驶员及交通部门及时了解和把握各路段的交通状况。

图1交通流量检测系统架构图

（二）系统实现

1、协调器节点硬件实现

就协调器节点上的硬件而言，其主要由高清晰液晶显示模块、CC2430模块、高速率输入输出模块、发射天线及增强型电源模块构成，其只有在同时具备较强的通信能力、较强的处理能力以及较强的存储能力等条件下才能够充分发挥其高效性职能。通常情况下，可将协调节点视为增强型传感器节点。实现协调器节点硬件不仅有助于提升监测系统性能；而且大幅度降低了监测系统的成本。

2、车载监测传感器节点硬件实现

嵌入式技术设计下的车载传感器节点受生产成本及电池能耗等因素的影响，导致每个监测节点的数据处理能力及通信能力难以大幅度提高。区域联网交通流量预测系统中的ZigBee传感器节点硬件涉及到高效电源板块、高速率输入输出模块、CC2430模块、三轴加速度传感器、、发射天线等部件。实现车载监测传感器节点硬件具有功耗低、校准精确高及抗电磁干扰性能强等多个特点。

3、流量监测算发软件实现

协调器节点工作流程主要具有下述多种功能：一是采集各个车载监测传感器节点反馈数据，并传递到协调器节点数据库；二是协调器节点将收集到的数据传送至控制中心，由控制中心对其处理，之后发送至物联网中，以便驾驶员或交通部门判别各路段的交通状况。车载监测传感器节点工作流程主要具有下述多种功能：一是初始化各功能模块，以自组织方式将其列入到监测区域网络中；二是利用协调器节点得到车辆识别码，从而获取到监测网络控制信息；三是采取传感器节点车辆相关信息数据，利用流量监测算法实现数据分析，之后将其数据传递到协调器节点。

4、交通流量监测模型

基于监测区域内涉及到多种不同类型车辆的运动流程，这些运动流程共同构建起交通流，通过分析交通流能够把握监测区域内交通状况。文章中着重阐述MODEL2420三轴向传感器相关生产规范，实践显示，MODEL2420三轴向传感器数字脉冲序列输出与施加在脉冲密度上的加速度呈现正相关。并且，单位时间内，传感器正比例的输入每时钟频率和具有独立特性的电源电压。除此之外，驱动长电缆或强干扰、电气噪声环境下，凭借外部数字线路驱动器有助于增强抗干扰能力，从而确保传感器能够顺利高效采集、发送及接受相关数据，为交通部门疏通各路段提供理论依据。

参考文献：

[1]鹿玲杰，申徐洲；AGENT技术在智能交通控制中的应用[J]；交通与计算机；2006年01期

[2]苏令永，张瑞华，刘燕；基于Zigbee技术的无线传感器网络设计[A]；第一届中国高校通信类院系学术研讨会论文集[C]；2007年

流量统计范文篇3

关键词：电磁流量计；无菌灌装；定量控制；误差分析

中图分类号：TH814文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）11-0055-04

随着社会的发展及人们生活水平的提高，对消费产品质量和生产效率提出了更高的要求，要求灌装装置系统能够快速、安全、准确地完成灌装。无菌灌装系统以其固有的优点，在食品、饮料、制药等行业得到越来越广泛的应用。无菌灌装系统的要求使用于灌装定量控制的方式发生了变化，一些专业灌装用途流量计进入灌装应用领域，这种动态在线的测量和控制方式带来了新的挑战，使用中不仅需要考虑流量计本身的安装和使用，还要综合考虑流量计集成在系统中时和其他部分的相互影响。

1无菌灌装系统介绍

1.1无菌灌装系统的要求

（1）易于清洗和消毒杀菌；（2）高产量、周期短；（3）高精度和高重复性；（4）低消耗和损耗；（5）快速处理不同产品灌装和不同批量灌装；（6）对产品和产品质量因素有较高的透明度；（7）不用维护或者易于维修。

1.2无菌灌装的设计特点

（1）机器的简单化；（2）表面光滑、无凹凸、无死角、气密密封性好；（3）排水流畅，无积水；（4）闭密性要好，防止外界微生物深入；（5）选择适当材料，耐高温、耐化学腐蚀；（6）自动化的CIP（原位清洗）/SIP（原位杀菌）；（7）关键设备的定期养护；（8）划分生产区域，无菌和非无菌，生产区域物料、人等隔离和管制。

1.3灌装定量控制

在各个分系统中，灌装的定量控制系统是最核心的系统之一，整个灌装机的灌装速度和精度往往由该系统的性能所决定。灌装定量控制系统关键部件包括流量计、控制器、阀门（如图1）。灌装量的测量由流量计完成，它能快速、准确地计量灌装头的连接管道中的流体流量，并把信号上传到控制器，由控制器根据设定的定量，控制灌装阀门的启/停，以达到准确灌装。

1.4无菌灌装对流量计的要求

1.4.1快速反应能力和准确的测量能力。每次灌装通常持续2～5秒，这要求流量计的测量速度非常快，测量间隔短，只有这样才能跟得上流量的变化曲线。

1.4.2卫生型设计和连接。特殊的材质和连接方式。

1.4.3CIP和SIP的要求。原位清洗和杀菌涉及到酸碱等腐蚀性介质，如果采用高温蒸汽杀菌，则过程中会出现约140℃的温度。

1.4.4稳定性和重复性好。

2Dosimag电磁流量计简介

Dosimag系列流量计是某知名仪表公司自行研发的专业灌装电磁流量计，能保证很高的准确性和重复性，紧凑的外形结构确保了在灌装生产线的各个单元能安装得很近。有快速准确的测量能力，测量周期短，测量频率高。

Dosimag流量计的测量原理：根据法拉第电磁感应定律，因磁通量变化产生感应电动势，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生感应电流。在电磁测量原理中，流动的介质就相当于运动的导体，感应电压和介质的流速成正比，并且通过两个电极直接送到放大器。流体的容积通过管道的截面积可以算出。

Ue=B×L×v

Q=A×v

Q=A×v=A×Ue/B×L

式中：

Ue――感应电压

B――磁场强度

L――磁极间距

v――流体速度

Q――流体流量

A――管道截面积

I――电流强度

从以上公式可以看出，当磁场强度和磁极间距一定时，流体流量和感应电压成正比。

3Dosimag流量计特性

3.1特点

（1）快速测量能力，每秒钟完成80次以上的准确测量；（2）流量达1.66L/s；（3）流体温度可达130℃，半小时内耐受150℃；（4）工作压力可达16bar；（5）可进行在线原位清洗（CIP）和在线原位杀菌（SIP）；（6）特殊应用内衬：PFA（可溶性聚四氟乙烯）；（7）不锈钢

外壳。

3.2应用领域

可用于导电率大于等于5μs/cm的液体测量，如食品行业、化妆品行业、制药行业、化学药品行业

3.3食品/卫生行业相关认证

3A认证/EHEDG测试/符合FDA要求。

4安装方式、使用条件及注意事项

4.1安装条件

（1）进口管道长度大于5倍DN，如图3；（2）出口管道长度大于2倍DN，如图3；（3）传感器和变送器必须接地；（4）传感器在管道中居中安装。

4.2安装方式及位置

灌装流量计安装调试简单；对管道的震动不是很敏感。灌装流量计只有在管道完全满地条件下才能正确测量，基于这个原因，建议在批量生产前要做灌装试验。

4.2.1安装方式一般来讲有旋转灌装模式和线形灌装模式，如图4和图5所示：

4.2.2安装位置。安装在阀门附近，灌装流量计不能安装在控制阀的下游（图6），如果装在控制阀的下游，在一个灌装周期结束后，传感器的测量管道完全排空，这样会严重影响下个周期的测量。

4.2.3安装方向。合理的安装方向（图7），可以避免空气在测量管道中的堆积和存放。

4.2.4安装注意事项。

（1）在过热的条件中使用时（比如在线清洗和在线消毒），强烈要求变送器装在下面，这样可以降低变送器部分过热的风险，如图8。

（2）在震动非常厉害的条件下，要确保管道和传感器的安全。

4.3影响灌装的一般因素

4.3.1流量计的计量精度：该项指标受流速、灌装持续时间、测量流体情况等影响。

4.3.2灌装系统中可动部件的动作速度和机械重复性：主要是切断阀的开启和关闭操作的速度和一致性。

4.3.3灌装机械中流体的状态稳定性，包括温度变化（影响密度）、背压是否稳定（影响流速）、液位高低。

4.3.4控制系统的工作方式和控制程序设计是否

优化。

5Dosimag灌装流量计的实际应用问题分析

下面以灌装流量计在国内某企业使用过程中出现重复性差的问题为例来分析。

5.1现场灌装的基本情况

直线式灌装模式，灌装机上安装有20台Dosimag5BH12/15，分别对应于20根灌装头，如图5所示的线性安装方式；灌装液体来自于设备上方的储罐，通过下流管道进入两路分流支总管（DN40），每分流支总管下带10个DN15的灌装管；流量计后方，灌装口上方100mm处安装有气动切断阀（结构较特殊，两级行程，切断阀杆位于管道内流体中）；每次灌装约220mL，但是误差不稳定，从偏差1～2mL到5～6mL。

5.2该应用中影响精度的原因

电磁流量计属于速度式流量仪表，它通过测量管道流速来计算体积流量，流速的突变会一定程度增大测量误差。本应用中，影响精度的原因是管道内的液体流速，通过试验分析液体的流速受以下三个方面的影响。

5.2.1工艺影响。管道的选型和排设对液体的流速会有影响。如本应用中，如果下流管道进入两路分流支总管远小于DN40，那么流过各灌装管内的液体流速会有比较大的偏差，选用合适的总支管和正确的排设，可以改善灌装管内液体流速的不平衡性。

5.2.2其他元件的影响。在无菌灌装系统中，一般用到四种阀，即定量阀（加料阀）、导向阀、压力控制阀、控制阀。

在灌装系统中用到快速切断阀（定量阀）来控制灌装的启停。快速切断阀的控制原理：当电磁阀接收到PLC的输出信号（由PLC采集灌装流量计的脉冲信号后处理的输出信号）时开始动作，通过执行机构带动阀杆和阀芯向上运动，阀芯和阀座分开，流体通过阀座进入灌装管道，开始灌装，当电磁阀接收到PLC输出信号关闭阀门时，阀杆向下运动，带动阀芯向下运动，使阀芯和阀座接触，从而切断流体达到结束灌装。本应用中控制阀的阀杆在管道中，流体从上向下流经整个阀体，阀杆的动作行程分两级，对应于小流量和较大流量。

开启时，阀杆向上抬起，逆流而上，对于管道中的流体造成逆冲，瞬间减小管道流速；相对速度越大，影响越大；闭合时，阀杆向下压下，对于管道中的流体产生加速，瞬间增大管道流速（图9）。

本应用中的灌装控制阀有两级行程，在从小流量变换为大流量时，阀杆的二次动作使管道内的流速显著减小，增大了测量误差（图9）。灌装控制阀的结构和工作方式，影响了管道中的液体流速，是误差的主要形成因素来源。但试验证明，可以通过调整阀杆的行程来改善。

5.2.3液位控制及背压控制。液位和背压影响灌装过程中的流速，流速的波动会造成灌装量的波动。该波动的影响主要体现在系统发出阀门切断指令到阀门完全关闭的延迟时间段中。

本灌装系统中的上部罐体尺寸较小，约60L。如果液位控制在80%，则上部的气体空间为12L，下部液体空间为48L；若每次灌装250mL，2s内完成，则20个瓶需要5000mL，即5L，对液位的影响为8%，对气压的影响为5L/12L=40%；由于灌装有间歇性停顿，对于液位和背压的自动控制来说，过程为非连续稳定状态，控制的难度比一般过程要大（压力变送器上看到有压力值的变化，实际上可能有1～2秒钟以内的阻尼，实际过程中的快速波动可能更大）。

灌装头由于安装灌装控制阀的需要，在灌装控制阀及下部的灌装头共约400mm。

部分为DN25的管道，灌装流量计及流量计之上的管道内径为15mm/16mm。二者管道截面积相差近2倍。在稳定流量下，则这两部分的流速相差近2倍，表现为流量计处快，下部管道内慢。考虑到阀杆的影响，则流速相差约

1倍。

灌装头的最终出口部分为10～14mm的可更换缩口。通过缩口，可以产生背压，一般缩口内置蜂窝状虹吸管，保证灌装前后的管道满管。从测试的流量波形上看，10mm的灌装头产生适当的阻尼效果，流量曲线较稳定。

5.3解决方案

方案1：采用灌装阀一级控制，即采用小流量行程的单次开启和闭合。

测试结果：流量平稳度增加，灌装的误差显著减小。

方案2：对灌装阀的第二次行程变化进行控制，通过减缓阀的气动排气，降低阀杆第二次上台的速度，见图10：

上抬速度后的流量曲线

方案3：适当降低液位，如控制在50%或更低，以减小批次灌装对背压的影响，同时有助于提高背压稳定性。

6结语

从本文的分析可以看出，灌装流量计作为测量的关键元件，它是保证罐装精度实现的要素之一，整个罐装系统的设计在满足无菌灌装的工艺要求和生产效率要求的前提下，必须考虑如何保证罐装流量计稳定、可靠地工作以及如何选用合适的部件，如控制阀，并优化控制方式，将各种可能的干扰因素降到最低，以实现系统误差最小。

参考文献

[1]中华人民共和国轻工业行业标准QB/T4213-2011-饮料机械聚酯（PET）瓶装饮料无菌冷灌装生产线[S].2011.

[2]DosimagTechnicalinformation.E+H.2012