基于ARM和uCOS-II的固体科氏流量计测控系统

基于ＡＲＭ和ｕＣＯＳ－ＩＩ的固体科氏流量计测控系统

【摘 要】：设计了基于ARM微控制器的固体科氏流量计处理单元。首先给出了系统的基本测量原理，之后详细叙述了处理单元的硬件/软件结构方案，描述了系统实现的功能。最后给出了系统的实验结果并讨论了这种设计的优越性和系统的实用性。

【关键词】：固体; 科氏流量计; ARM; uCOS-II

引言

在能源、化工、冶金、食品等领域，经常需要对小颗粒状或粉状的物料的质量流量做出测量和控制，因而需要具有良好可靠性、高的测量精度、大的测量范围的固体质量流量计。传统上多采用冲击式流量计、皮带秤、失重秤等实现连续计量，一般存在着测量精度低、稳定性差、需要频繁调整与校准等一些缺点。

科里奥利（Coriolis）流量测量技术是一种起步较晚的质量流量的直接测量方法，由于其独特的测量原理而具有测量范围大，精度高，对介质的温度、压力、粘度、密度等不敏感等优点。目前，科里奥利质量流量计(CMF)主要用于液体、气体的测量，用于固体测量的研究和应用相对较少。德国的Schenck公司在这个领域具有领先的地位，有一系列比较成熟的产品。国内少数厂家也有类似的探索，但效果并不理想。文章设计了一套固体CMF系统，采用32位高性价比的ARM核微控制器设计了其处理单元，结构简单、体积小，具有良好的人机交互。大量的实验证明，该系统达到了很高的动态测量精度和稳定性，具有很好的实用推广价值。文章给出其设计思路和实验结果。

1. 基本测量原理

科里奥利流量测量依据的是质点在旋转动系中运动时产生的科里奥利惯性力(简称科氏力，相应的加速度称为科氏加速度)。可见，无论测量装置采用什么样的结构形式，本质上都要构造出一个能产生科氏力的回转运动（或等效回转运动），这是任何CMF的首要条件。对于固体CMF，测量装置是一个回转体，在电机带动下以基本恒定的速度转动。物料通过测量装置的测量轮时，将对检测部件产生科氏力的反作用。这些切向的科氏力产生了对回转轴的扭矩作用(简称科氏反力矩)，物料的质量流量跟这个力矩以及测量轮的角速度有关。根据科氏力基本计算式以及动能定理、动量定理等可导出流量计算公式为：

其中Qm为质量流量，Tk为科氏反力矩，ω为测量轮角速度，R为测量轮的半径(常量)。实时测得Tk和ω，就可以实时计算得到物料的质量流量，进一步的作积分运算即可得到物料的累计总质量。为此，在测量装置中安装了转速传感器和扭矩传感器，前者输出12V逻辑的脉冲信号，后者输出4～20ma电流信号。采用12V逻辑和4～20ma电流，可以将信号传输较长距离，同时采用屏蔽电缆做传输媒介，增强信号传输的抗干扰性。整个系统结构框图见图1。嵌入式