钟罩式气体流量标准测控系统硬件设计

王俊涛，蒲莉萍，玄春青

（新乡航空工业（集团）有限公司，河南 新乡 453049）

0 引 言

钟罩式气体流量标准装置主要用于气体流量计性能的测试，相关技术较为成熟，造价低廉，在国内应用广泛，数量较多。作为传统的流量标准，工作时多是手动操作，人工读数和处理实验数据。这使检定效率非常低下，同时也容易引入人为的误差和错误，给社会和工业生产带来安全隐患。为了解决以上存在问题，本文以一组三台钟罩式气体流量标准装置为基础，对其控制及数据采集系统的硬件进行设计和搭建，以期提高传统钟罩式气体流量标准装置自动化程度[1-4]。

1 装置控制及数据采需求分析

由于钟罩量程比相对较窄，一套钟罩标准多有多台钟罩组成，本文所改造气体装置由三台钟罩组成。

钟罩式气体流量标准基本结构如图1所示，主要由钟罩、补偿机构、配重、进气控制阀、进气管、排气管、竖直被检流量计、电动调节阀、水平被检流量计以及辅助管路系统等组成。钟罩为系统的主标准器，进气管及进气阀控制钟罩的上升，开始工作前，打开进气控制阀，压缩空气通过进气管进入钟罩密闭空间使钟罩上升到需要高度，而后关闭进气控制阀。通过电动调节阀7控制检定工作的启停，电动调节阀8、9、10调节装置工作流量，流量计根据自身要求可安装于水平或竖直台位。

测控系统硬件设计主要包括：分析确定控制及采集对象及其逻辑关系；确定控制系统结构，根据需要选择相应的继电器、变频器、传感器、放大器、数据采集卡、IO卡、主机箱等电子元器件，搭建整个硬件平台[3，5-6]。

本装置控制的对象：

（1）进气控制阀4。

（2）电动调节阀 7、8、9、10。

图1 装置原理图

本装置需要采集的对象：

（1）钟罩内温度（多点位）、压力。

（2）被检表处温度、压力。

（3）检定时间。

（4）被测流量计脉冲。

（5）电流，被检流量。

（6）环境温度、压力、湿度。

2 测控系统结构及试验过程

2.1 控制系统结构

此钟罩式气体流量标准改造时既要实现计算机自动控制，还要保留人工手动控制的操作方式，仪器显示和计算机虚拟显示两种监控方式。这样在计算机出现故障时，可以人工手动下继续工作。

图2 控制及数据采集系统硬件结构

根据以上设计要求确定此测控系统的结构为复合式结构即单片机复合PC机的结构，充分发挥两者优势实现设计要求，结构如图2所示。传感器的主要作用是通过自身的变化来感知待测物理量的变化并将待测物理量转化为电信号；单片机包括流量积算仪、环境参数测量仪、温度测量仪、压力测量仪、多路开关，主要完成各主要参数的测量、转换及显示等，同时能够和PC机相互通信。PC机的作用是支撑软件系统的运行，采集试验数据并完成数据的显示、处理，试验结果的保存以及试验报表的输出；各电磁开关、继电器的主要作用是控制各电磁阀、电动阀及电机的启停[5-6]。

2.2 工作过程

PC机主要实现从各单片机接受试验数据，通过软件程序计算相应结果并存储结果，如从流量积算仪接收频率数值、测量时间等；传送控制指令给各单片机，完成对装置运行的控制，如发送控制指令给多路开关控制钟罩升降等。流量积算仪与被检流量计相连，采集流量计输出信号，1、7、8、9、10 调节阀电控回路与多路开关连接，由多路开关控制各阀的通断及开度。试验开始前，多路开关1路闭合，阀1开启，钟罩进气提升，当钟罩到达指定高度，多路开关1路断开，阀门1闭合，钟罩停止。根据台位不同，竖直台位时，多路开关4路常开，阀门9常闭。水平台位时，多路开关3路常开，阀门8常闭。试验开始时，多路开关2路接通，阀门7打开，通过多路开关5路的开关，调整阀门10的开度来调节管路中介质的流量。钟罩下行过程中，其下标面安装的挡板切割光电传感器，传感器信号触发流量积算仪，开始记录被检流量计信号和时间，钟罩运行一段时间后，下标面到达光电传感器，光流量积算仪记录信号和时间同时停止，流量积算仪同时将采集信号和时间传输给计算机。从切光开始到结束过程中各温度压力传感器每秒采集一次数据并经相应单片机传输给计算机。

3 主配件选型

3.1 PC机及接口卡

钟罩式气体流量标准装置主要应用于实验室中，实验条件较好。同时，考虑到现在PC机相关技术已取得较大发展，优良性能的PC机已完全满足实验室控制系统的需要。本系统选取启天M4300台式电脑。

本装置测控系统所选择流量积算仪、环境参数测量仪、温度压力测量仪、多路开关等仪器都配有RS232通信接口。由于PC机只有一个串口，所以选用MOXA公司生产的CP-168U串口扩展卡。

3.2 单片机

本部分主要用于和传感器、变送器等元件相连接，实现数据采集、信号调理、通路选择等功能。根据前面分析本装置需要采集量，确定装置需要仪器包括流量积算仪、环境参数测量仪、温度压力测量仪、多路开关。具体选择结果如下。

流量积算仪：选用XMFL-6型标准流量积算仪，可以测量脉冲信号、电流信号等，分辨率0.001Hz，具有RS-232接口，由中国计量科学研究院设计生产。

环境参数测量仪：选用中国计量科学研究院设计生产的XM-8302气压温度湿度测量仪,大气压力：优于 0.05%，温度：优于 0.2℃，湿度：优于5%。具有RS-232接口，由中国计量科学研究院设计生产。

压力温度测量仪：选用XMPT-3压力温度测量仪，不确定度压力（差压）优于 0.1%，温度优于 0.1℃；压力量程2.5MPa，分辨率0.001MPa。温度量程200℃，分辨率0.01℃。最大零点漂移小于0.007%，具有RS-232接口，由中国计量科学研究院设计生产。

多路转换开关：多路转换开关又称多路转换器选用XMM-3多路转换开关，具有RS-232接口，由中国计量科学研究院设计生产。

3.3 传感器

钟罩式气体流量标准装置测控系统所需要的传感器包括压力传感器、温度传感器及湿度传感器[7-8]。具体要求及参数如下：

压力传感器：压力传感器主要用于测量钟罩内压力及被检表表前压力。压力传感器JPG4陶瓷膜片压力传感器，测压范围0～10MPa，精度±0.5%FS。

温度传感器：温度传感器主要用于测量钟罩内温度及被检表表前温度。温度传感器选用STT-C系列铂电阻温度传感器，测量范围-50～100℃，精度A级。

环境参数测量仪所用温度、压力、湿度测量传感器随仪器标配。

4 回路设计

以上设计了控制及数据采集系统的结构并选择相应的硬件设备及电子元器件，这些元件需要构建合理的回路，并经安装连接构成一个整体，才能很好的工作。

图3 换向器及放油阀控制电路

图4 压力传感器接线图

4.1 控制及调节阀控制回路

装置需要控制部件有两台电磁阀（开关型）4、7，三台电控流量调节阀，开度可以通过5V电源控制，8、9、10，均为 220V 电源供电，见图 3。

4.2 传感器接线

表1 原始记录表

温度及压力传感器均采用四线制接线方法，如图4所示。电源线正负极分别与24V电源正负极相连，4～20mA标准电流输出信号与温度测量仪输入接口正负极相连。

5 试验测试

在整个测控系统搭建完成的基础上，对装置各仪器及整体进行的检定和不确定度评定，各项指标达到设计要求，对装置测控系统软硬件进行联合测试。以某LWQ-25气体涡轮流量计为例，其测试原始记录如表1所示。

从表1中可以看出，硬件系统各项指标均可满足设备设计需要。

6 结束语

本文介绍了钟罩式气体流量标准装置测控系统硬件设计选型。此系统采用以单片机为核心，以PC机为主机的结构，能够实现手动和计算机控制两种操作。经试验测试，以上所搭建的控制及数据采集系统运行稳定，可靠性强，能够满足系统需要。同时本系统具有良好的可移植、可扩展性，可在同类装置中使用。

[1]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].2版.北京：中国计量出版社，2007.

[2]王自和，范砧.气体流量标准装置[M].北京：中国计量出版社，2005.

[3]仝卫国，李国光，苏杰，等.计量测试技术[M].北京：中国计量出版社，2006：146-168，227-247.

[4]王池，王自和，张宝珠，等.流量测试技术全书[M].北京：化学工业出版社，2012.

[5]朱玉玺，崔如春，邝小磊.计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]刘经燕，王建萍，陈益瑞.测试技术及应用[M].广州：华南理工大学出版社，2005.

[7]叶湘滨，熊飞丽，张文娜，等.传感器与测试技术[M].北京：国防工业出版社，2007.

[8]任强.传感器选用原则[J].铁道技术监督，2004（9）：33-34.