基于C8051F350單片機(jī)的氣體流量計(jì)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

　　氣體流量計(jì)是較為常用的儀表設(shè)備。鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是以空氣作為介質(zhì)，對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)和檢測(cè)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。主要適用于速度式、容積式和差壓式等氣體流量計(jì)的檢定、校準(zhǔn)和型式評(píng)價(jià)工作，也可用于氣體流量測(cè)量的研究工作。本文基于C8051F350單片機(jī)，改造現(xiàn)有的鐘罩裝置，設(shè)計(jì)一種氣體流量計(jì)檢測(cè)儀。

　　氣體流量計(jì)檢定技術(shù)概述

　　目前，氣體流量計(jì)的檢定方法廣義上可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N。

　　直接測(cè)量法的是用實(shí)際流體進(jìn)行計(jì)量檢定，其具體定義為用標(biāo)準(zhǔn)裝置（標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)或計(jì)量器具）與被測(cè)流量計(jì)串聯(lián)，通過比較兩者測(cè)得流體的累積流量值，得出被測(cè)流量計(jì)測(cè)量誤差的方法。實(shí)流檢測(cè)法具有檢定環(huán)境與工況環(huán)境一致、流量值準(zhǔn)確可靠和真實(shí)反映被測(cè)流量計(jì)計(jì)量特性的特點(diǎn)。實(shí)流檢測(cè)法又可分為離線實(shí)流檢測(cè)和在線實(shí)流檢測(cè)。離線實(shí)流檢測(cè)主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，就是將被檢流量計(jì)與實(shí)驗(yàn)室的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置相串聯(lián)，在實(shí)驗(yàn)室參比條件下測(cè)得流量計(jì)計(jì)量誤差，此方法可保證在實(shí)驗(yàn)室條件下的計(jì)量準(zhǔn)確，但忽視了其在工況條件下的計(jì)量特性。在線實(shí)流檢測(cè)則是將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)安裝在被測(cè)流量計(jì)后方的預(yù)留檢定管路上，利用實(shí)際流體進(jìn)行計(jì)量，現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)獲得實(shí)際工況誤差。

　　間接測(cè)量法是通過測(cè)量與流量值的相關(guān)的幾個(gè)物理量，通過對(duì)幾個(gè)相關(guān)物理量誤差的運(yùn)算，間接地獲得被測(cè)流量計(jì)示值誤差的一種方法。

　　氣體流量計(jì)檢測(cè)儀原理

　　鐘罩裝置的工作原理

　　鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要形式之一。在壓力不高（一般小于10kPa）、流量不大的情況下，用它檢定流量計(jì)是比較簡(jiǎn)便的。該裝置按氣流方向可分為排氣式和進(jìn)氣式。其特點(diǎn)是：①它適合檢定壓力不高、流量不大的氣體流量計(jì)；②排氣式裝置中，流經(jīng)被檢流量計(jì)的氣體壓力很低，接近于大氣壓，而且氣體濕度很高，對(duì)檢定的結(jié)果造成影響，因此必須有濕度修正；③進(jìn)氣式裝置需要一個(gè)干燥和穩(wěn)定的氣源，保證檢定用氣體的干度符合規(guī)定要求，并保證試驗(yàn)管段的氣流壓力、溫度和流量恒定，這就使建立進(jìn)氣式裝置比建立排氣式裝置困難；④由于鐘罩的內(nèi)壓只決定于本身的重力、配重物的重力、液體浮力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的拉力，所以不管是排氣式還是進(jìn)氣式，內(nèi)壓是不變的。

　　鐘罩的標(biāo)準(zhǔn)體積是通過測(cè)量鐘罩的位移得到的，鐘罩位移的自動(dòng)測(cè)量是該檢測(cè)儀（鐘罩裝置）的重要部分。光柵尺是高精度的位移測(cè)量元件，在精密儀器、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，將光柵尺用于檢測(cè)儀，作為鐘罩量筒的位移傳感元件，能精確對(duì)應(yīng)鐘罩的體積量。檢測(cè)儀的原理是當(dāng)鐘罩下降時(shí)，鐘罩內(nèi)氣體通過連接管路流經(jīng)被檢流量計(jì)，在鐘罩下降同時(shí)通過光柵尺將鐘罩下降的高度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，經(jīng)硬件接口電路調(diào)理后傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過補(bǔ)償修正等運(yùn)算處理，將其轉(zhuǎn)換成氣體標(biāo)準(zhǔn)體積或者體積流量。另外，標(biāo)定后的檢測(cè)儀設(shè)有擋板和光電傳感器，鐘罩兩擋板之間的容積是固定的，擋板先后通過光電傳感器所經(jīng)歷的時(shí)間可測(cè)得，也可得到排出氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積或體積流量。將所測(cè)值與被檢流量計(jì)指示的體積或流量的比較，就可得到被檢流量計(jì)的基本誤差。

　　流量計(jì)算公式

　　在測(cè)量時(shí)間t內(nèi)鐘罩排出的氣體體積為VS，則經(jīng)過被校流量計(jì)的體積流量

　　式（1）中，PS、TS 、 ZS分別為鐘罩內(nèi)的絕對(duì)壓力（Pa）、熱力學(xué)溫度（K）和氣體壓縮系數(shù)； Pm、Tm、 Zm分別為流量計(jì)前的絕對(duì)壓力（Pa）、熱力學(xué)溫度（K）和氣體壓縮系數(shù)； Vs為鐘罩排出的在PS、 TS 狀態(tài)下的氣體容積（m3）； Vm為鐘罩排出的在Pm、 Tm狀態(tài)下的氣體容積（m3）； t為測(cè)量時(shí)間（s）。

　　將 （qv）s與被校流量計(jì)的顯示值（qv）m比較，可計(jì)算出被校流量計(jì)示值相對(duì)誤差為：

　　對(duì)于速度式流量計(jì)，是通過鐘罩裝置排出的標(biāo)準(zhǔn)體積及被校流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)來標(biāo)定流量計(jì)的儀表系數(shù)。

　　氣體流量計(jì)檢測(cè)儀基本結(jié)構(gòu)

　　氣體流量計(jì)檢測(cè)儀以C8051F350單片機(jī)為核心，監(jiān)控所有被測(cè)量，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 氣體流量計(jì)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖

　　為了保證鐘罩內(nèi)的氣溫和液槽內(nèi)的液體溫度之差符合規(guī)定要求，應(yīng)嚴(yán)格控制檢測(cè)儀的溫度，故設(shè)置了五個(gè)采溫點(diǎn)，另增加溫度濕度傳感器，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)檢定環(huán)境。檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)的所有信號(hào)如下：①鐘罩，五路溫度包括罩頂溫度、罩內(nèi)上、中、下溫度、液溫；②被檢流量計(jì)，流量計(jì)檢定前溫度、壓力、差壓、模擬流量計(jì)信號(hào)；③環(huán)境，室溫、濕度；④脈沖信號(hào)，鐘罩光柵尺、擋板、限位、脈沖式流量計(jì)信號(hào)。

　　氣體流量計(jì)檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

　　氣體流量計(jì)檢測(cè)儀硬件部分由單片機(jī)、通訊、閥門控制和電壓轉(zhuǎn)換等電路構(gòu)成，受計(jì)算機(jī)控制，完成各項(xiàng)檢定指令，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和高精度計(jì)時(shí)等功能。