基于磁电传感器的智能流量仪系统的设计研究

文方哲 郝少飞 尚永爽

摘要：为满足不同应用场所和情境的计量需要，探讨基于磁电传感器的智能流量仪系统设计方法。首先，从系统设计着手，阐述系统架构、软硬件和功能板块的具体设计内容；其次，针对系统软硬件和电路说明设计实现方式；最后，评估分析所设计的智能流量仪是否能够维持稳定工作状态，就稳定性和准确度予以测试。

关键词：磁电传感器；智能流量仪；设计

一、前言

流量仪是计量石化产品的高精度仪器，传统仪器设备受到外部物质进入管道的影响，常出现数据计量误差大的问题，精度难以保证。通过引入磁电传感器，打破光纤涡轮流量传感器的测量局限，以此设计的流量仪量程和峰值信噪比大大提升，切实满足宽量程流量的测量需要。与此同时，可提高结构精度、可靠性，使得功能愈加完善，契合航油市场计量的要求。为此，研究基于磁电传感器的智能流量仪系统设计十分必要。

二、基于磁电传感器的智能流量仪系统设计

（一）系统架构设计

系统的核心处理器为STM32，其中包含蓝牙模块、NB-IOT、存储数据模块、流量计量模块、LCD液晶显示模块以及电源模块[1]。所设计的流量计属于螺杆流量计，由智能流量显示仪和螺杆计量腔体构成。其中，智能流量显示仪中将输入的电讯号处理为数据的器件为放大器和感应器，其能够计算调整规定的数据模型，并显示出标准体积量、压强和水温等被测介质相关技术参数。设计与RS485标准通信接口、模拟信号输入输出的装置。蓝牙接口负责收集流量计数据和进行参数配置与修改，连接平板电脑以及NB-IOT网络后与服务器形成通路，以此将测得的相关数据显示在WEB界面上[2]。

（二）软件设计

软件架构由应用层、功能模块层、设备列表层、驱动层和硬件抽象层构成。其中，应用层为业务逻辑；功能模块层中是第三方代码和功能实现，包含脉冲输出、按键输出、显示和计量等所有功能模块；设备列表完成设备注册，绑定驱动和设备号，根据设备号完成对应驱动接口调用；驱动层中包含驱动逻辑、驱动实例、初始化和硬件接口[3]。驱动逻辑中的代码对应控制、关闭、打开和读写，由初始化模块完成初始化操作，驱动实例内的元素。IIC、GPIO、SPI是驱动所应用的硬件接口类型。

（三）硬件设计

硬件架构中设计24V DC供电1路24V DC输出1路5V DC输出（隔离保护）、24V输出（保护）、4-20mA输出电路（隔离保护）、RS232通讯电路（隔离保护 排线连接 可选模块）、RS485通讯电路（隔离保护）、3路开关量输入电路（隔离保护）、2路报警信号输出电路（隔离保护）、3路脉冲开集输出电路（隔离保护）、24V-3.3V电源转换电路（LDO 24V保护）、5V-3.3V电源转换电路（LDO）、I/O端口与I/O冗余、EEPROM（512Byte标定数据及掉电数据保存）、F-RAM（1MB用户数据及报警数据保存）、计量测量及温差补偿电路（需保护）、外部RTC（纽扣电池供电）、MCU、显示控制器（串行接口）、液晶屏幕（背光LED、半反半透、点阵）、光电接口电路（LED限流）、按键接口。

DC/DC模块转换12-24V电压，使之经过滤波变为稳定的3.3V、5V、24V电压，分别实现为主控单元供电、作为DAC基准电压和为RS485模块供电的作用目标。经过整形滤波操作后，脉冲信号将进入主控单元，功能管脚被定时捕获[4]。主控单元与SPI口相连，接收经ADC的4-20mA输入电流，在输出控制系统的作用下，系统受外界干扰的可能性大幅降低。经过隔离处理后，主控单元与UART和RS485模块完成连接。

（四）功能板块设计

外部中断和定时器读取脉冲信号的周期脉冲数和频率，将其转换为数字形式，计数后存入数据缓冲区，存储完毕后，继续进行下一任务。测量温度和压力后，得到工况流量，修正所得结果，转变为标准体积，完成流量计量处理。

显示功能菜单中的菜单号和页面号的对应关系是：PO-00、PO-09，能够显示出单量、压力、温度、流量、总量。用户参数中菜单号、页面号和显示内容的对应关系是：菜单号为P1，页面号为00-22，完成用户密码输出、工况流量显示、用户调差系数显示、设置ModBus地址、标准脉冲输出方式与单位显示、标况压力与温度显示设置等功能。工厂参数中菜单号、页面号和显示内容的对应关系是：菜单号P2，页面号00-12，显示或修正流量修正点1-10的系数、显示设置排量系数和工厂密码；菜单号P3，页面号00-12，显示设置流量修正点1-10的频率、显示设置频率设置方式；菜单号P4，页面号00-11，显示设置电池驱动脉冲输出方式、反向流量极端方式、压力补偿修正点1x、1y、2x、2y的值。

按键功能处理由创建按键实例开始，初始化按键按下逻辑电平和触发时间，注册按键事件处理回调，利用扫描读取按钮全部状态，而后在事件回调机制的支持下，将按钮事件报告完毕。按键功能支持手动消抖、长按、短按和单连击。操作界面中包括Enter键、Up键、Shift键、Mode键，分别支持参数设置确定以及复位页面、调整页面号及数字累加、调整设置位、放弃参数设置以及显示调整页面号。切换菜单的操作包括P0-P4五个界面，单击Enter键进入P0界面；在任意菜单显示模式下，点击Shift+Mode键进入P1界面；点击Mode+Up键切换P2、P3、P4界面（在P2、P3、P4任意界面中）。

脉冲输出处理流程为：定时器中断服务函数，判定应发脉冲数是否大于0，当结果为大于0时，应发脉冲数-1，发送一个脉冲，完成PWM整个周期的数据更新；若结果为非大于0，则无法继续后续流程。

电流输出处理的流程为：计算流量，由DA控制输出流量换算结果，完成输出任务。

蓝牙功能操作流程为：由接收器搜索附近蓝牙，匹配成功后连接蓝牙，由蓝牙接口读取设备参数、标准体积量、压力、温度等显示仪数据，显示出智能流量显示仪中的各项参数和数据，判断是否按下设置键，若结果为Y，则输入密码，输入正确并检测到硬开关打开后设置并应答成功；若结果为N，则无法设置。同时，若输入不正确、硬开关检测到并未打开也无法设置。

三、基于磁电传感器的智能流量仪系统实现

（一）软件结构

软件功能体现在应用层、功能模块层、设备列表层、驱动层和抽象层上，根据项目间所存在的复用特点，存放重复部分，并存储统一框架中。经抽象层抽象的硬件，将硬件接口细节隐藏于特定平台，与此同时，实现细节也在硬件驱动模块中被隐藏，并完成硬件访问服务目标。设备列表层绑定极驱动和设备号，驱动接口依据设备号调节调用。以上五层层层接口相连，相互调用可用信息。

切换菜单结构中模式中密度清除界面、预制加确认的密度预置界面、清除单量清除界面、预支单量预置界面的个界面，运用手动切换形式，采取向下或者向上的切换操作，完成分界面进入确认任务。所设计的菜单结构能够切换设计不同页码数的分界面，实现多界面互切。菜单与页码切换利用UP↑或DOWN↓按键调整页码，利用UP↑+ENTER?或者DOWN↓+ENTER?调整菜单。参数设置点击按键SHIFT→进入参数设置或调整设置位，点击按键UP↑或DOWN↓调整参数位，点击ENTER?确认操作，点击UP↑+DOWN↓放弃操作。在主界面点击预置为进入单量预置界面，点击清除进入单量清零界面，点击模式进入历史数据界面，点击预置+确认进入密度预置界面。

（二）硬件结构

硬件结构中包含用户接线板、NB模块板、主板、LCD显示模块板和面板。经过拓扑后，图中将清晰显示报警脉冲输出、低电压、开关输入量、主板、按键和模组。提供主板电压的为电源模块，通过按键切换不同模块。主板负责电压控制，电压具体值和控制结果显示在显示模组中。主板中的主要组成零件为电源、用户端子、显示器、压力传感器、温度传感器、转速传感器、输入电路、数据存储器和微控制器。使用低能耗微控制器，借助FLASH和FRAM存储数据，与SPI共同使用通讯线。输入电路接收压力、温度和转速信号，经双路输出的转速传感器，实现3.3V供电。硬件结构中可选电源为3.4V-24V，运用四线制为压力传感器供电。

掉电保护模块中借助DC-DC5V隔离模块将电源转换为2路不同类型，经LDO变压作用，输出2.5V和3.3V电压。其中，2.5V是供给模拟信号电压，如若出现掉电问题，数据保存由储能电容完成。3.3V是供给外部存储器、脉冲输出、蓝牙、LCD显示和主控系统的电压。电流输出模块中的输出量与实时流量相关，当处于4-20mA范围内，流量0与4mA对应，最大支持流量与20mA对应。以内部上拉或推挽形式输出脉冲，短路电流的最大值为10mA，开路电压的最大值为40V。运用四线制输出4-20mA电流的方式，实现电流输出功能。

温度补偿是在集成电路的作用下，放大热电偶和热电阻的信号，并完成电流转换，将电流值控制在4-20mA范围内。热电偶冷端补偿要在环境温度测量后实现。

脉冲信号链路模块功能实现是在调试电路作用下，转变电流信号，在转变为电压信号后被采集，直接传输至ADC采集模块中。

四、基于磁电传感器的智能流量仪系统测试

为综合测试所设计的智能流量仪的性能，需从仪器测定结构稳定性和准确性两个角度予以展开。

首先，测试流量转换器读取脉冲信号的准确度，设计验证试验，配备光电发讯器调试电机组、直流电机及调速器、EMT1光电发讯器、12V光电发讯器、流量转换器、脉冲计数器和直流电源。将脉冲计数器、流量转换器和EMT1光电发讯器连接，EMT1光电发讯器转轴与直流电源连接，通过调整电机转速，测定脉冲计数器和流量转换器的计数值。连接脉冲计数器、流量转换器和12V光电发讯器，调试电机组，维持电机不同转速下工作一定时间（大气压力为2.5MPa），测定脉冲计数器和流量转换器具体计数值。经过试验，在光电发讯器试验状态下，在转速为400r/min时，脉冲计数器计数值为10497，流量转换器计数值为10497；在转速为600r/min时，脉冲计数器计数值为35478，流量转换器计数值为35478。在12V光电发讯器试验状态下，在转速为400r/min时，脉冲计数器计数值为22189，流量转换器计数值为22189；在转速为600r/min时，脉冲计数器计数值为59621，流量转换器计数值为59621。可以看出，流量转换器的计数值准确度达标。

其次，针对流量精确度进行试验，使用4台流量转换器检定流量，设定全温度范围内的试验环境，使流量转换器在保持正常运行1h后检查其运行情况。经过测定，在65℃高温实验后，可正常工作。同时，对4台流量转换器进行不间断运行试验，运转时间为3000h，检验其工作情况。经检验，4台流量转换器均可在3000h时间内稳定运转。

最后，针对智能流量仪脉冲输出功能、显示功能、计量功能和按键功能进行试验，发现均可按照预期设计目标显示和设置数据与界面，证明所设计的器件良好，能够正常使用。

五、结语

综上所述，文章所给出的一种基于磁电传感器的智能流量计具备稳定精确计量压力、温度的能力，可在实际作业中发挥切实作用。文章所得出的结论如下：

（一）设计智能流量计从系统架构出发，细化软硬件结构以及功能模块的设计。针对模块进行选型，将STM32作为核心处理器，包含蓝牙模块、NB-IOT、存储数据模块、流量计量模块、LCD液晶显示模块以及电源模块；

（二）从智能流量计的核心着手展开功能测试，设计试验，发现所设计的流量转换器能够在大气压力为2.5MPa的状态下精准稳定计量有关数据，且整体设备可连续工作3000h，证明设计具有合理性和可用性。

参考文献

[1]冯得明，朱宁，周艳，等.电磁流量计检定工作中的常见问题与解决方法[J].工业计量，2023，33（1）：38-40.

[2]涂熹薇，唐钧，石蕴文，等.湿气两相流量计在渝西页岩气田的应用效果评价[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43（1）：11-14.

[3]何瑶，段雨涵，隋丽，等.侵彻引信用磁电传感器的输出特性仿真分析[J].装备环境工程，2022，19（11）：18-26.

[4]何东浩，王振宇，汪曦，等.基于Kinect和表面肌电传感器的数字化运动功能评估系统设计[J].科技创新与应用，2022，12（34）：41-44+49.

作者单位：文方哲，陕西宝成航空仪表有限责任公司；郝少飞，陕西宝成航空仪表有限责任公司；尚永爽，中国人民解放军93184部队