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C8051单片机气体流量硬件设计

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       离线式实流检测主要是在实验室进行的,也就是将被检流量计和实验室的流量标准设备串联起来。联机实流检测是将标准流量计安装在被测流量计后面的预留检定管道上,利用实际流体进行测量,通过现场在线检测,得到实际工况误差。燃气流量计是一种比较常用的仪器。风钟式气体流量标准装置是以空气为介质,用来检定、标定和检测气体流量计的计量标准装置。它主要应用于气速法、体积法、差压法等气体流量计的检定、标定、型式评定,也可以用于气体流量测量的研究。本文以C8051F350单片机为核心,对现有钟罩装置进行改造,设计了气体流量计检测器。

气体流量计检定技术概述

当前,气体流量计检定方法从广义上可以分为直接计量和间接计量。

一种直接测量法是用实际流体进行计量检定,特定的定义是串联使用标准仪器(标准流量计或测量仪器)和被测量的流量计,通过比较两种测量流体的累积流量,得到被测流量计测量误差的方法。实际流量检测方法具有检定环境与工作环境一致、流量值准确可靠、真实反映被测流量计量特性的特点。实流法又可分为离线实流法和实流法两大类。离线式实流检测主要在实验室进行,即把被检流量计和实验室的流量标准装置串联起来,在实验室参考条件下测得流量计的误差,这种方法可以保证在实验室条件下的计量精度,但忽略了它在工作环境下的计量特性。在线检测则是将标准流量计安装在被测流量计后的预留检定测试管路上采用实际流体测量,通过现场在线检测得到实际工作状态误差。

非直接测量法是通过对若干有关物理量的误差进行测量,并通过对几个有关物理量误差的运算,间接得到被测流量计量值的误差。

气体流量计检测仪原理

钟罩装置的工作原理

风钟式气体流量标准装置是气体流量标准装置的重要形式。使用该仪器在压力不高(一般小于10 kPa)、流量较小时,使用该仪器对流量计进行检测。该检测设备按气流方向可分为排气式和进气式。其特点是:①用于检定压力不大、流量不大的气体流量计;②在排风装置中,通过被检流量计的气体压力非常低,接近于大气压,且气体湿度较高,会影响检测结果,因此必须进行湿度校正;③进气器需要干燥稳定的气源,以保证检定用气体的干度符合规定要求,并保证测试管段的气流压力、温度和流量恒定,这使得建立进气式装置比建立排气式装置困难;由于钟罩的内压只决定于自身的重力、配重物的重力、液体浮力和补偿机构的拉力,因此无论是排气式还是进气式,都是不变的。

测钟罩位移量可获得标准的钟罩体积,自动测量钟罩位移是该检测器(钟罩装置)的重要组成部分。光栅尺是一种高精度的位移测量元件,广泛应用于精密仪器、高精度精密加工等领域,作为一种位移敏感元件,光栅尺可以精确地反映钟罩的体积量。这种装置的原理是,当钟罩落下时,钟罩中的气体经过受检流量计,利用栅尺把钟罩下落的高度转换成脉冲信号,经硬件接口电路调理后传送到计算机,再由计算机进行补偿修正等运算处理,然后转换成气体标准体积或体积流量。此外,校准后的检测器还可以测量挡板和光电传感器,钟罩两挡板间的容积是固定的,挡板先后通过光电传感器经过的时间就可以测量出来,还可以获得排气量的标准值或体积流量。比较被检测量值与被检流量计显示的体积或流量,可以得到被检流量计的基本误差。

流量计算公式

在测量时间t内钟罩排出的气体体积为VS,则经过被校流量计的体积流量

式(1)中,PS、TS 、 ZS分别为钟罩内的绝对压力(Pa)、热力学温度(K)和气体压缩系数; Pm、Tm、 Zm分别为流量计前的绝对压力(Pa)、热力学温度(K)和气体压缩系数; Vs为钟罩排出的在PS、 TS 状态下的气体容积(m3); Vm为钟罩排出的在Pm、 Tm状态下的气体容积(m3); t为测量时间(s)。

将 (qv)s与被校流量计的显示值(qv)m比较,可计算出被校流量计示值相对误差为:

对于速度式流量计,是通过钟罩装置排出的标准体积及被校流量计输出的脉冲数来标定流量计的仪表系数。

气体流量计检测仪基本结构

气体流量计检测仪使用C8051F350单片机,监控所有被测量,其基本结构如图1所示。

图1 气体流量计检测仪结构图

   为确保钟罩内温度与液槽内液温差值一致,应严格控制仪表温度,故设五个采温点,另外增设温度湿度传感器,对现场检测环境进行监控。由检测器监控的全部信号为:①钟罩,五路温度包括罩顶温度、罩内上下温度、液温;②被检流量计,流量计检定前温度、压力、差压、模拟流量计信号;③环境,室温、挡板、限位、脉冲式流量计信号。

气体流量计检测仪硬件设计

气体流量计检测仪硬件部分由单片机、通讯、阀门控制和电压转换等电路构成,受计算机控制,完成各项检定指令,并实现实时数据采集和高精度计时等功能。

C8051F350单片机简介

检测仪选用C8051F350单片机为控制核心,它是一款高集成度的混合信号片上系统型单片机,集成了PGA、ADC、DAC等丰富的片上资源,而且具有低功耗、高分辨率、小封装、高性价比等优点,是高精准度测量应用的理想选择。单片机信号的输入与输出如图2所示。

C8051F350单片机的功能特性:①70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期,这样在保证系统速度要求时,可以降低系统时钟频率,从而降低系统功耗;②PGA可以放大1~128倍,适用于小信号直接测量;③8通道24位ADC,其非线性可达0.0015%,保证系统的高精度;④8kB片内FLASH存储器,保证足够的代码空间,可用于传感器的线性矫正程序,而且可以将其中一个扇区(512字节)作为非易失型存储器使用,存放系统标定参数;⑤高精度可编程的24.5MHz内部振荡器,±2%的精度,可支持无晶体UART操作;⑥768字节内部RAM,可用于存放线性化运算时需要的大量数据;⑦可编程计数器/定时器阵列,可实现16位PWM,配合简单外围电路可实现D/A转换;⑧32脚LQFP封装,节省PCB面积,可用于小型化产品;⑨片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试,保证开发简便。

C8051F350芯片可外接的振荡电路有四种,设计中选择晶体作为外部振荡源,为了便于波特率的设置,图2中所示Y1取22.1184MHz。C8051F350芯片共有17个数字I/O端口,其中P2.0/C2D用作JTAG调试,余下16个端口在硬件连接和交叉开关配置后,引脚功能如下:P0.0光栅尺输入脉冲计数;P0.2、P0.3连接外部晶振;P0.4、P0.5串口通讯;P0.6钟罩挡板、限位信号(INT0中断);P0.7流量计脉冲信号(INT1中断);P1.0按键(上电复位);P1.1、P1.2单片机读挡板和限位信号;P1.4控制CD4053;P1.5~P1.7控制74HC595,P0.1、P1.3空余。

图2 C8051F350单片机接口图

检测仪信号采集

压力、温度传感器和一些气体流量计输出的流量信号是电流信号(4mA~20mA)。考虑到ADC输入范围,可选用100Ω的精密电阻将电流信号转换为对应的0.4V~2V的电压信号。

C8051F350单片机有8通道24位可编程AD转换器,而检测仪中待转换的模拟量有16路,为了解决通道不足的问题,可使用双向模拟开关CD4053。

设置ADC使用内部参考电压,经过零点校准和斜率校准,使ADC在输入4mA时输出为初始值,输入20mA时为满量程值。读取AD转换结果的高16位送给计算机,计算机再根据每个变送器提供的线形内插表算出对应的数值。

气体流量计信号调整电路

气体流量计信号以脉冲方式输出,输出的一部分是标准脉冲信号(TTL电平),还有一部分是在3V~30V之间的高电平信号。因此,利用比较器设计一个输入脉冲调整电路来简化电路,调整电路可识别这两部分脉冲信号,并将高电平的信号转化为TTL电平。流量计信号调整电路如图3,f2为流量脉冲的输入。设置参考电压V2,当输入低于参考电压时,输出GND=0V;当输入电压高于参考电压时,比较器输出电压Vcc=5V。比较器输出的信号,经过光电隔离和功率放大,输入到单片机P0.7引脚。

图3 流量计信号调整电路图

多路电磁阀控制电路

根据检定规程和流量计量程,在定时中需要设置多个检定流量点。从0.5m3/h~128m3/h之间,取10个流量检定点,对应10个电磁阀控制流量,定标时手动输入所需流量值,计算机根据电磁阀对应的流量值,自动打开相应的电磁阀组合。

检测仪通过C8051F350单片机执行电磁阀的开闭动作、控制鼓风机,为了尽量少占用单片机的I/O口,引入74HC595芯片,如图4所示,设计串行口多路气阀控制电路。74HC595内含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。将第一个74HC595的Q7与第二个的SER相接,单片机只需控制第一个74HC595的SER、 SRCLK和RCLK三个引脚,就可使多路气阀和风机等的开闭得到控制。

基于C8051F350单片机的气体流量计检测仪硬件设计

图4 多路气阀控制电路图

气体流量计检测仪软件设计

气体流量计检测仪软件设计采用Delphi编程技术,处理下位机发送来的数据,得出检定结果,并将检定数据保存在SQL SERVER数据库系统中。检测仪系统的控制器部分负责采集数据和执行指令,而在计算机上完成检定界面的设计、数据库的设计和数据的处理。

控制器部分软件设计

如图5所示,控制器部分软件设计包括A/D采样模块、通讯模块、定时模块和计数模块设计。

基于C8051F350单片机的气体流量计检测仪硬件设计

图5 控制器程序流程图

(1)计数与计时

燃气流量计检定器以中断方式计算钟罩挡板脉冲、流量计输出脉冲和光栅尺脉冲数。与此同时,探测器要按标准时间计时,产生1 s中断,并在通信时产生波特率。C8051F350单片机能满足计数器的定时要求,它有一个可编程计数器阵列(PCA),把 PCA设定成对输入脉冲计数,在大多数情况下,只要控制它的起动、停止,然后读取计数值。T0用来检测的流量计的脉冲信号计数;T1是串口通信波特率发生器;T2用来实现标准时间和1 s定时。

(2)通讯

C8051F350单片机与计算机通讯采用RS-232C串口,设定波特率115200bps。实际通讯时,计算机发出的有效指令编为一组代码,单片机在执行命令后,返回的数据中包含与此次操作对应的另一组代码。这样,上位机与单片机程序可同时编写,写好后可以像拼图一样组合使用;而且数据格式被约定了,在上位机修改数据格式的代码就可改变命令。

(3)检定方式

由检定人员将相关检定参数设定在计算机上,通过串口发送给单片机,检定流程如图6所示。首先将钟罩提升至指定位置,在设定检定方式和参数后开始检定。已实现的检定方式有:①钟罩定容方式:主要检定脉冲量输出流量计,标定流量计仪表系数;②流量计定容方式:主要检定标准流量脉冲信号输出流量计,采用流量比对方式,标定流量计相对误差;③模拟量检定方式:类似于方式①,采用挡板定容,由起始和终止挡板数控制流量计模拟量的采集并进行A/D转换,1s采样1次;④手动方式:类似于方式②,主要检定人工读数的流量计,由检定人员控制计时和光栅尺脉冲计数的起始与结束。

在检定各种流量计的过程中,单片机每隔1s采集压力、温度等传感器数据,同时读取钟罩位移对应的光栅尺脉冲数和钟罩经过的档板个数,流量计输出脉冲数等数据,发送至计算机进行显示和流量值补偿计算。当钟罩降至底部时,停滞3s,再由计算机发送升钟罩指令,提升钟罩以便进行下一次检定。

计算机部分软件设计

计算机主要用于设置流量计检定参数及分析计算检定误差和管理数据。

(1)计算机功能模块

检测仪采用Delphi程序设计开发用户界面,采用SQL Server数据库管理检定数据,计算机各功能模块包括系统参数设置、数据采集及处理、数据查询、数据修改、检定报表打印和检定人员管理模块。

(2)计算机数据处理

数据处理方式因检定方式的不同而异,以检定方式①为例,按以下公式计算流量计仪表系数和误差,首先确定每个流量检定点的仪表系数ki。

式中ki为第i流量检定点的仪表系数,m-3; Nij为第i流量检定点第j次检定被检流量计的累计脉冲数; Vij为第i流量检定点第j次检定钟罩的体积量,即不同检定点钟罩的定容体积量,在检定前输入,m3; PS和Tm为检定时间内钟罩处和流量计的平均绝对压力,Pa;TS和Tm为钟罩处和流量计的平均温度值,℃。可计算流量计的仪表系数k为:

流量计的线性度为

(5)

进而可以得出流量计的基本误差为:

式中为钟罩装置的系统误差,经计量部门检定合格后确定。

软件的设置

(1)设置权限

登录软件的人员分不同权限,最高权限为具有所有权限的系统管理员,可以通过管理员生成不同权限的操作员和调试员或其他自定义人员。操作员权限为检测仪表、调用检测记录等,其权限由系统管理员指定;调试员权限为修改软件内部设置、设置系统数据等。

(2)设置系统参数

完成组建系统后,必须设置一些相应系统参数以保证检测仪正常工作和仪器较高的检测精度,包括:

①钟罩仪表系数:表示旋转编码器所发出的脉冲中每单个脉冲代表钟罩排出气体的体积。它是钟罩固定参数,每年需校准一次。在检测软件中必须设置该系数,否则无法检测被测流量计。

②流量计仪表系数:表示流量计所发出脉冲中每单个脉冲代表流过流量计气体的体积,单位为升每个脉冲(L/N)。它在检测之前输入,也必须设置,可设置为流量计固定参数或可变参数。

③标况方的条件:它是气体的标准状态条件,即大气压力为101.325kPa、温度为293.15K(20℃)。

④钟罩提升到指定高度后的稳定时间:钟罩提升后,在短时间内经历上升、停止过程会产生颤动,通过设置稳定时间使钟罩稳定下来,以减小系统误差。该参数设置越大,钟罩颤动越小,检测效果越好,但也会降低检测效率。

⑤钟罩检测下降开始阶段稳定脉冲数:钟罩下降阶段经历静止、下降过程,在下降开始阶段会产生颤动,通过设置钟罩下降开始阶段脉冲不计量,使钟罩在这段不计量的过程中减小颤动,减小系统误差。该参数设置越大,钟罩颤动越小,检测效果越好,但也会降低检测效率。

⑥检测完毕后下降脉冲个数:钟罩在当次检测完毕后,不能马上停止钟罩下降,必须先停止脉冲计数,再停止钟罩。设置此参数,是为了满足先停止脉冲计数,再停止钟罩。该参数设置不应太大,保证检测停止与钟罩止降时间错开即可。

3)设置检定证书格式

包括设置纸张大小、字体大小、正文位置等。

结束语

气体流量计在生产和生活中经常被用到,其准确性与整个生产和生活安全密切相关。面对日益增长的流量计检定测试需求,提高检测仪器的工作效率和准确度等级显得十分重要。本文采用C8051F350单片机为控制核心,改进钟罩装置,加装精密光栅尺作为钟罩位移传感元件,并增设多路传感器,设计出气体流量计检测仪。该检测仪通过单片机数据采集实现控制,提高了采集数据的可靠性和准确性;检测仪组成简单,维护方便;在检定过程中,完全由检测仪控制检测过程和计算检定结果,提高了检测精度,具有普遍适用性。