鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王俊濤，蒲莉萍，玄春青

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

0 引 言

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于氣體流量計(jì)性能的測試，相關(guān)技術(shù)較為成熟，造價(jià)低廉，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，數(shù)量較多。作為傳統(tǒng)的流量標(biāo)準(zhǔn)，工作時(shí)多是手動(dòng)操作，人工讀數(shù)和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這使檢定效率非常低下，同時(shí)也容易引入人為的誤差和錯(cuò)誤，給社會(huì)和工業(yè)生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)裝置為基礎(chǔ)，對其控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，以期提高傳統(tǒng)鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)化程度[1-4]。

1 裝置控制及數(shù)據(jù)采需求分析

由于鐘罩量程比相對較窄，一套鐘罩標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由鐘罩、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、配重、進(jìn)氣控制閥、進(jìn)氣管、排氣管、豎直被檢流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水平被檢流量計(jì)以及輔助管路系統(tǒng)等組成。鐘罩為系統(tǒng)的主標(biāo)準(zhǔn)器，進(jìn)氣管及進(jìn)氣閥控制鐘罩的上升，開始工作前，打開進(jìn)氣控制閥，壓縮空氣通過進(jìn)氣管進(jìn)入鐘罩密閉空間使鐘罩上升到需要高度，而后關(guān)閉進(jìn)氣控制閥。通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥7控制檢定工作的啟停，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥8、9、10調(diào)節(jié)裝置工作流量，流量計(jì)根據(jù)自身要求可安裝于水平或豎直臺位。

測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：分析確定控制及采集對象及其邏輯關(guān)系；確定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的繼電器、變頻器、傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集卡、IO卡、主機(jī)箱等電子元器件，搭建整個(gè)硬件平臺[3，5-6]。

本裝置控制的對象：

（1）進(jìn)氣控制閥4。

（2）電動(dòng)調(diào)節(jié)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(nèi)溫度（多點(diǎn)位）、壓力。

（2）被檢表處溫度、壓力。

（3）檢定時(shí)間。

（4）被測流量計(jì)脈沖。

（5）電流，被檢流量。

（6）環(huán)境溫度、壓力、濕度。

2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)過程

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)改造時(shí)既要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，還要保留人工手動(dòng)控制的操作方式，儀器顯示和計(jì)算機(jī)虛擬顯示兩種監(jiān)控方式。這樣在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以人工手動(dòng)下繼續(xù)工作。

圖2 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求確定此測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為復(fù)合式結(jié)構(gòu)即單片機(jī)復(fù)合PC機(jī)的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為電信號；單片機(jī)包括流量積算儀、環(huán)境參數(shù)測量儀、溫度測量儀、壓力測量儀、多路開關(guān)，主要完成各主要參數(shù)的測量、轉(zhuǎn)換及顯示等，同時(shí)能夠和PC機(jī)相互通信。PC機(jī)的作用是支撐軟件系統(tǒng)的運(yùn)行，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的顯示、處理，試驗(yàn)結(jié)果的保存以及試驗(yàn)報(bào)表的輸出；各電磁開關(guān)、繼電器的主要作用是控制各電磁閥、電動(dòng)閥及電機(jī)的啟停[5-6]。

2.2 工作過程

PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)從各單片機(jī)接受試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過軟件程序計(jì)算相應(yīng)結(jié)果并存儲(chǔ)結(jié)果，如從流量積算儀接收頻率數(shù)值、測量時(shí)間等；傳送控制指令給各單片機(jī)，完成對裝置運(yùn)行的控制，如發(fā)送控制指令給多路開關(guān)控制鐘罩升降等。流量積算儀與被檢流量計(jì)相連，采集流量計(jì)輸出信號，1、7、8、9、10 調(diào)節(jié)閥電控回路與多路開關(guān)連接，由多路開關(guān)控制各閥的通斷及開度。試驗(yàn)開始前，多路開關(guān)1路閉合，閥1開啟，鐘罩進(jìn)氣提升，當(dāng)鐘罩到達(dá)指定高度，多路開關(guān)1路斷開，閥門1閉合，鐘罩停止。根據(jù)臺位不同，豎直臺位時(shí)，多路開關(guān)4路常開，閥門9常閉。水平臺位時(shí)，多路開關(guān)3路常開，閥門8常閉。試驗(yàn)開始時(shí)，多路開關(guān)2路接通，閥門7打開，通過多路開關(guān)5路的開關(guān)，調(diào)整閥門10的開度來調(diào)節(jié)管路中介質(zhì)的流量。鐘罩下行過程中，其下標(biāo)面安裝的擋板切割光電傳感器，傳感器信號觸發(fā)流量積算儀，開始記錄被檢流量計(jì)信號和時(shí)間，鐘罩運(yùn)行一段時(shí)間后，下標(biāo)面到達(dá)光電傳感器，光流量積算儀記錄信號和時(shí)間同時(shí)停止，流量積算儀同時(shí)將采集信號和時(shí)間傳輸給計(jì)算機(jī)。從切光開始到結(jié)束過程中各溫度壓力傳感器每秒采集一次數(shù)據(jù)并經(jīng)相應(yīng)單片機(jī)傳輸給計(jì)算機(jī)。

3 主配件選型

3.1 PC機(jī)及接口卡

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)條件較好。同時(shí)，考慮到現(xiàn)在PC機(jī)相關(guān)技術(shù)已取得較大發(fā)展，優(yōu)良性能的PC機(jī)已完全滿足實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的需要。本系統(tǒng)選取啟天M4300臺式電腦。

本裝置測控系統(tǒng)所選擇流量積算儀、環(huán)境參數(shù)測量儀、溫度壓力測量儀、多路開關(guān)等儀器都配有RS232通信接口。由于PC機(jī)只有一個(gè)串口，所以選用MOXA公司生產(chǎn)的CP-168U串口擴(kuò)展卡。

3.2 單片機(jī)

本部分主要用于和傳感器、變送器等元件相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、通路選擇等功能。根據(jù)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(huán)境參數(shù)測量儀、溫度壓力測量儀、多路開關(guān)。具體選擇結(jié)果如下。

流量積算儀：選用XMFL-6型標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

環(huán)境參數(shù)測量儀：選用中國計(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)的XM-8302氣壓溫度濕度測量儀,大氣壓力：優(yōu)于 0.05%，溫度：優(yōu)于 0.2℃，濕度：優(yōu)于5%。具有RS-232接口，由中國計(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

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(yōu)于 0.1%，溫度優(yōu)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(diǎn)漂移小于0.007%，具有RS-232接口，由中國計(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：多路轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器選用XMM-3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，具有RS-232接口，由中國計(jì)量科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

3.3 傳感器

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)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(shù)如下：

壓力傳感器：壓力傳感器主要用于測量鐘罩內(nèi)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(nèi)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(huán)境參數(shù)測量儀所用溫度、壓力、濕度測量傳感器隨儀器標(biāo)配。

4 回路設(shè)計(jì)

以上設(shè)計(jì)了控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并選擇相應(yīng)的硬件設(shè)備及電子元器件，這些元件需要構(gòu)建合理的回路，并經(jīng)安裝連接構(gòu)成一個(gè)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(diào)節(jié)閥控制回路

裝置需要控制部件有兩臺電磁閥（開關(guān)型）4、7，三臺電控流量調(diào)節(jié)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(fù)極分別與24V電源正負(fù)極相連，4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號與溫度測量儀輸入接口正負(fù)極相連。

5 試驗(yàn)測試

在整個(gè)測控系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上，對裝置各儀器及整體進(jìn)行的檢定和不確定度評定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對裝置測控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行聯(lián)合測試。以某LWQ-25氣體渦輪流量計(jì)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(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足設(shè)備設(shè)計(jì)需要。

6 結(jié)束語

本文介紹了鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選型。此系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心，以PC機(jī)為主機(jī)的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制兩種操作。經(jīng)試驗(yàn)測試，以上所搭建的控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，能夠滿足系統(tǒng)需要。同時(shí)本系統(tǒng)具有良好的可移植、可擴(kuò)展性，可在同類裝置中使用。

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