鐘罩式氣體流量標準測控系統硬件設計

王俊濤，蒲莉萍，玄春青

（新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉 453049）

0 引 言

鐘罩式氣體流量標準裝置主要用于氣體流量計性能的測試，相關技術較為成熟，造價低廉，在國內應用廣泛，數量較多。作為傳統的流量標準，工作時多是手動操作，人工讀數和處理實驗數據。這使檢定效率非常低下，同時也容易引入人為的誤差和錯誤，給社會和工業生產帶來安全隱患。為了解決以上存在問題，本文以一組三臺鐘罩式氣體流量標準裝置為基礎，對其控制及數據采集系統的硬件進行設計和搭建，以期提高傳統鐘罩式氣體流量標準裝置自動化程度[1-4]。

1 裝置控制及數據采需求分析

由于鐘罩量程比相對較窄，一套鐘罩標準多有多臺鐘罩組成，本文所改造氣體裝置由三臺鐘罩組成。

鐘罩式氣體流量標準基本結構如圖1所示，主要由鐘罩、補償機構、配重、進氣控制閥、進氣管、排氣管、豎直被檢流量計、電動調節閥、水平被檢流量計以及輔助管路系統等組成。鐘罩為系統的主標準器，進氣管及進氣閥控制鐘罩的上升，開始工作前，打開進氣控制閥，壓縮空氣通過進氣管進入鐘罩密閉空間使鐘罩上升到需要高度，而后關閉進氣控制閥。通過電動調節閥7控制檢定工作的啟停，電動調節閥8、9、10調節裝置工作流量，流量計根據自身要求可安裝于水平或豎直臺位。

測控系統硬件設計主要包括：分析確定控制及采集對象及其邏輯關系；確定控制系統結構，根據需要選擇相應的繼電器、變頻器、傳感器、放大器、數據采集卡、IO卡、主機箱等電子元器件，搭建整個硬件平臺[3，5-6]。

本裝置控制的對象：

（1）進氣控制閥4。

（2）電動調節閥 7、8、9、10。

圖1 裝置原理圖

本裝置需要采集的對象：

（1）鐘罩內溫度（多點位）、壓力。

（2）被檢表處溫度、壓力。

（3）檢定時間。

（4）被測流量計脈沖。

（5）電流，被檢流量。

（6）環境溫度、壓力、濕度。

2 測控系統結構及試驗過程

2.1 控制系統結構

此鐘罩式氣體流量標準改造時既要實現計算機自動控制，還要保留人工手動控制的操作方式，儀器顯示和計算機虛擬顯示兩種監控方式。這樣在計算機出現故障時，可以人工手動下繼續工作。

圖2 控制及數據采集系統硬件結構

根據以上設計要求確定此測控系統的結構為復合式結構即單片機復合PC機的結構，充分發揮兩者優勢實現設計要求，結構如圖2所示。傳感器的主要作用是通過自身的變化來感知待測物理量的變化并將待測物理量轉化為電信號；單片機包括流量積算儀、環境參數測量儀、溫度測量儀、壓力測量儀、多路開關，主要完成各主要參數的測量、轉換及顯示等，同時能夠和PC機相互通信。PC機的作用是支撐軟件系統的運行，采集試驗數據并完成數據的顯示、處理，試驗結果的保存以及試驗報表的輸出；各電磁開關、繼電器的主要作用是控制各電磁閥、電動閥及電機的啟停[5-6]。

2.2 工作過程

PC機主要實現從各單片機接受試驗數據，通過軟件程序計算相應結果并存儲結果，如從流量積算儀接收頻率數值、測量時間等；傳送控制指令給各單片機，完成對裝置運行的控制，如發送控制指令給多路開關控制鐘罩升降等。流量積算儀與被檢流量計相連，采集流量計輸出信號，1、7、8、9、10 調節閥電控回路與多路開關連接，由多路開關控制各閥的通斷及開度。試驗開始前，多路開關1路閉合，閥1開啟，鐘罩進氣提升，當鐘罩到達指定高度，多路開關1路斷開，閥門1閉合，鐘罩停止。根據臺位不同，豎直臺位時，多路開關4路常開，閥門9常閉。水平臺位時，多路開關3路常開，閥門8常閉。試驗開始時，多路開關2路接通，閥門7打開，通過多路開關5路的開關，調整閥門10的開度來調節管路中介質的流量。鐘罩下行過程中，其下標面安裝的擋板切割光電傳感器，傳感器信號觸發流量積算儀，開始記錄被檢流量計信號和時間，鐘罩運行一段時間后，下標面到達光電傳感器，光流量積算儀記錄信號和時間同時停止，流量積算儀同時將采集信號和時間傳輸給計算機。從切光開始到結束過程中各溫度壓力傳感器每秒采集一次數據并經相應單片機傳輸給計算機。

3 主配件選型

3.1 PC機及接口卡

鐘罩式氣體流量標準裝置主要應用于實驗室中，實驗條件較好。同時，考慮到現在PC機相關技術已取得較大發展，優良性能的PC機已完全滿足實驗室控制系統的需要。本系統選取啟天M4300臺式電腦。

本裝置測控系統所選擇流量積算儀、環境參數測量儀、溫度壓力測量儀、多路開關等儀器都配有RS232通信接口。由于PC機只有一個串口，所以選用MOXA公司生產的CP-168U串口擴展卡。

3.2 單片機

本部分主要用于和傳感器、變送器等元件相連接，實現數據采集、信號調理、通路選擇等功能。根據前面分析本裝置需要采集量，確定裝置需要儀器包括流量積算儀、環境參數測量儀、溫度壓力測量儀、多路開關。具體選擇結果如下。

流量積算儀：選用XMFL-6型標準流量積算儀，可以測量脈沖信號、電流信號等，分辨率0.001Hz，具有RS-232接口，由中國計量科學研究院設計生產。

環境參數測量儀：選用中國計量科學研究院設計生產的XM-8302氣壓溫度濕度測量儀,大氣壓力：優于 0.05%，溫度：優于 0.2℃，濕度：優于5%。具有RS-232接口，由中國計量科學研究院設計生產。

壓力溫度測量儀：選用XMPT-3壓力溫度測量儀，不確定度壓力（差壓）優于 0.1%，溫度優于 0.1℃；壓力量程2.5MPa，分辨率0.001MPa。溫度量程200℃，分辨率0.01℃。最大零點漂移小于0.007%，具有RS-232接口，由中國計量科學研究院設計生產。

多路轉換開關：多路轉換開關又稱多路轉換器選用XMM-3多路轉換開關，具有RS-232接口，由中國計量科學研究院設計生產。

3.3 傳感器

鐘罩式氣體流量標準裝置測控系統所需要的傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器及濕度傳感器[7-8]。具體要求及參數如下：

壓力傳感器：壓力傳感器主要用于測量鐘罩內壓力及被檢表表前壓力。壓力傳感器JPG4陶瓷膜片壓力傳感器，測壓范圍0～10MPa，精度±0.5%FS。

溫度傳感器：溫度傳感器主要用于測量鐘罩內溫度及被檢表表前溫度。溫度傳感器選用STT-C系列鉑電阻溫度傳感器，測量范圍-50～100℃，精度A級。

環境參數測量儀所用溫度、壓力、濕度測量傳感器隨儀器標配。

4 回路設計

以上設計了控制及數據采集系統的結構并選擇相應的硬件設備及電子元器件，這些元件需要構建合理的回路，并經安裝連接構成一個整體，才能很好的工作。

圖3 換向器及放油閥控制電路

圖4 壓力傳感器接線圖

4.1 控制及調節閥控制回路

裝置需要控制部件有兩臺電磁閥（開關型）4、7，三臺電控流量調節閥，開度可以通過5V電源控制，8、9、10，均為 220V 電源供電，見圖 3。

4.2 傳感器接線

表1 原始記錄表

溫度及壓力傳感器均采用四線制接線方法，如圖4所示。電源線正負極分別與24V電源正負極相連，4～20mA標準電流輸出信號與溫度測量儀輸入接口正負極相連。

5 試驗測試

在整個測控系統搭建完成的基礎上，對裝置各儀器及整體進行的檢定和不確定度評定，各項指標達到設計要求，對裝置測控系統軟硬件進行聯合測試。以某LWQ-25氣體渦輪流量計為例，其測試原始記錄如表1所示。

從表1中可以看出，硬件系統各項指標均可滿足設備設計需要。

6 結束語

本文介紹了鐘罩式氣體流量標準裝置測控系統硬件設計選型。此系統采用以單片機為核心，以PC機為主機的結構，能夠實現手動和計算機控制兩種操作。經試驗測試，以上所搭建的控制及數據采集系統運行穩定，可靠性強，能夠滿足系統需要。同時本系統具有良好的可移植、可擴展性，可在同類裝置中使用。

[1]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試[M].2版.北京：中國計量出版社，2007.

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