計數(shù)器在主動式體積管流量標準裝置中的應用

楊松濤，于華偉，張永勝，王鵬

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

主動式體積管流量標準裝置是自身帶有驅動裝置，通過伺服電機帶動活塞體積管向前驅動運轉，從而產生穩(wěn)定流量的一種流量標準裝置。我所建成的主動式體積管燃油流量標準裝置，流量范圍為0.1～1000 L/min，相對擴展不確定度為0.05%（k=2）。在實際測量過程中，主動式體積管主要搭配光柵進行使用，采集系統(tǒng)通過定制的光柵卡進行數(shù)據(jù)鎖存，記錄開始采集命令和停止采集命令這段時間內光柵尺產生的脈沖數(shù)，進而計算出本次采集過程的流量值。本裝置使用的是定制的光柵尺及光柵卡，在進行數(shù)據(jù)鎖存的過程中光柵卡偶爾會發(fā)生硬件錯誤，導致無法鎖存數(shù)據(jù)，造成軟件采集計算結果錯誤。由于光柵尺本身會引入一定的不確定度，只有在流量達到一定值時，該不確定度才可以忽略不計，因此當使用微小流量進行計量時，電機需要運行較長時間才能滿足裝置的準確度等級，長時間的測量也就意味著光柵卡運行的時間較長，其無法進行數(shù)據(jù)鎖存的可能性也更大，如果光柵卡出現(xiàn)無法進行數(shù)據(jù)鎖存的情況，則當次流量點的檢定需要重新進行，這會嚴重影響裝置的運行效率。

本文針對現(xiàn)有光柵卡性能不穩(wěn)定有時無法鎖存數(shù)據(jù)的問題，根據(jù)光柵尺信號的特點，查詢相關國家標準，提出了基于雙計時法的使用計數(shù)器對光柵尺脈沖信號進行測量并進而計算流量的方法。針對現(xiàn)有的主動式體積管流量標準裝置的流量范圍，選擇合適的流量點進行測試，將信號并聯(lián)輸出，分別接入到計數(shù)器和光柵卡內，通過對不同流量點進行測試，將兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行對比，證明了本文提出的基于雙計時法的使用計數(shù)器對光柵尺脈沖信號進行測量并進而計算流量的方法的可行性。該采集方案能夠替代原先的系統(tǒng)，有效解決定制光柵卡性能不穩(wěn)定有時無法進行數(shù)據(jù)鎖存的問題，提高了設備運行的可靠性。

1 裝置簡介

主動式體積管燃油流量標準裝置主要由體積管、油缸、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、光柵尺、絲杠結構、回油泵、伺服電機和伺服驅動器、溫度和壓力變送器、計算機和顯示器等部分組成，結構原理圖如圖1所示［1］。主動式體積管流量標準裝置具有流量穩(wěn)定性好、檢定效率高、流量范圍寬、運行成本低、易操作、易維護等優(yōu)點。

圖1 主動式體積管液體流量標準裝置原理圖

該裝置通過控制伺服電機驅動絲杠向前運行提供穩(wěn)定的流量，通過式（1）計算體積管運行的當前流量值。

式中：q為當前流量值；s為體積管截面積；L為光柵尺運行距離；t為體積管檢定時間。

主動式體積管的標準流量值是將采集到的流量值根據(jù)體積管處的溫度和壓力值以及體積管性能參數(shù)依據(jù)規(guī)程進行修正得到的［2］。該裝置的工作流程是：首先打開被校表前后的閥門1和閥門2，關閉閥門3，打開上位機軟件設定運行流量，控制伺服電機進行推進，當流量計的示值穩(wěn)定時，點擊開始采集按鈕，當達到規(guī)定的采樣時間時，點擊停止采集，比較標準器的流量值和被校流量計的示值，得到流量計的誤差和不確定度［3］。定制的光柵卡偶爾發(fā)生無法鎖存數(shù)據(jù)的情況，大大降低了整套裝置的運行效率，因此需要提出一種新的光柵信號采集方案。

2 光柵信號的采集方案設計

2.1 光柵尺信號分析

光柵尺信號類型主要分為串行信號、方波信號以及正弦波信號［4］。串行信號指符合相關通訊協(xié)議的信號，光柵尺信號的傳輸主要通過串口通訊的方式進行，有較強的抗干擾能力；方波信號是信號輸出為A+，A-，B+，B-的TTL方波信號，其中A+和A-為一對差分信號，B+和B-為另一對差分信號，A+和B+相對于零電勢點為標準的TTL信號；正弦波信號也被稱為 1-Vpp信號，通常其相位差為 90°［5］。

本套裝置使用的海德漢光柵尺，型號規(guī)格為LS 106C，放大器型號為海德漢EXE 922，光柵尺輸出的是正弦波信號，通過放大器放大處理后得到2路差分信號，分別為A+，A-，B+和B-，差分信號具有較強的抗干擾能力，同時還能夠根據(jù)其判斷光柵尺的運行方向。根據(jù)現(xiàn)有的光柵尺信號特點，每一路信號相對于零電勢點都是一路TTL信號。如果單獨取出一路A+信號，本文認為光柵尺在穩(wěn)定運行的過程中，該A+信號相對于零電勢點就是一路穩(wěn)定脈沖輸出的TTL信號［6］。

2.2 測量方法的設計

GB/T17286.3-2010/ISO 7278-3：1998《液態(tài)烴動態(tài)測量體積計量流量計檢定系統(tǒng)第3部分：脈沖插入技術》中規(guī)定，計量校準過程中，測控系統(tǒng)測量的脈沖有一個最低的限制，即一般不小于10000個脈沖，但在實際檢定過程中，有時裝置在一個檢定周期中所產生的脈沖數(shù)遠遠低于10000個，因此需要找到一種方法來處理脈沖以提高分辨力［7］，脈沖插入技術可以達到這個目的。脈沖插入技術目前有三種解決方案：雙計時法、四倍計時法以及鎖相環(huán)法。

根據(jù)裝置的運行特點，使用雙計時法進行光柵尺頻率測量。開始觸發(fā)后，在標準器產生第一個脈沖的上升沿的時刻，計數(shù)器開始計數(shù)且計時器開始計時，在發(fā)出停止命令后，標準器產生下一個脈沖的上升沿的時刻，計數(shù)器停止計數(shù)且計時器停止計時?？捎嬎愕玫綐藴势髟谶@段時間內的平均頻率［8］。根據(jù)雙計時法的原理，自制同步電路板，可準確地在發(fā)出開始和停止命令時形成一個門控電路，計數(shù)器可以準確獲取脈沖計數(shù)n1，計時器測量這段脈沖所對應的時間為t1。雙計時法測量原理如圖2所示。

圖2 雙計時法測量原理

2.3 計數(shù)器選擇

目前市場上的計數(shù)器多種多樣，本文選擇的計數(shù)器是研華科技ADAM4080模塊，這款計數(shù)器的特征和計數(shù)指標為：

1）有兩路 32位計數(shù)通道，最大計數(shù)值4294967295；

2）隔離電壓為2500 VRMS；

3）提供TTL輸入和光隔離輸入兩種信號接口方式；

4）每個通道都有一個gate門控信號，其有三種狀態(tài)：high/low/disabled，門控信號（高或低）可以觸發(fā)計數(shù)器開始或停止計時；

5）隔離輸入：-邏輯0：最大+1 V，-邏輯1：+3.5～+30 V。

這款計數(shù)器易實現(xiàn)在組態(tài)軟件下的編程和控制，通過對現(xiàn)有的軟件進行較小改動即可實現(xiàn)這款計數(shù)器的數(shù)據(jù)采集和控制。

2.4 標準流量的計算方法

根據(jù)光柵尺的信號特點，通過式（2）計算得到時間t內裝置運行的流量。

式中：l為光柵尺產生一個單端脈沖信號運動的距離；n為體積管測量的脈沖數(shù)。采集的流量值通過溫度和壓力修正后得到標準流量值［9］。

3 兩套采集系統(tǒng)流量值的比較

3.1 實驗方法

將光柵尺信號分為兩路，一路繼續(xù)接入原先的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一路A+和0 V信號接入新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號同時接入到工控機中，通過在原先程序中加入新配置的計數(shù)器和計時器，使用一個軟件同時控制兩套系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)裝置的特點，控制系統(tǒng)分別設定0.1，1，10，50，100，200，500 L/min的流量運行，分別計算兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的標準流量并進行分析［10］。

3.2 實驗結果分析

每個點采集三次數(shù)據(jù)，并求出三次數(shù)據(jù)采集的平均值。使用光柵卡進行數(shù)據(jù)采集可以得到標準流量qv1，使用計數(shù)器進行光柵尺信號采集并計算標準流量可以得到qv2，由表1數(shù)據(jù)可知，本文研制的系統(tǒng)與原系統(tǒng)的標準流量采集誤差小于0.005%，在標準流量計算的過程中，這個差異可以忽略不計。

表1 標準流量數(shù)據(jù)采集對比

4 實驗結論

本文針對主動式體積管流量標準裝置光柵尺信號的特點，提出了基于雙計時法的使用計數(shù)器對光柵尺脈沖信號進行測量并進而計算流量的方法，通過設定運行不同的流量點進行對比實驗，可以得出以下結論：

1）使用計數(shù)器和光柵卡進行標準流量信號采集的差異可以忽略不計，新的設計方案能夠替代原先的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集；

2）光柵尺信號輸出的雙路差分信號能夠判斷光柵尺移動的方向，本文提出的方法犧牲了光柵尺方向判別的功能而解決了數(shù)據(jù)鎖存問題，這個不足可以通過伺服電機的編碼器信號進行彌補，可以通過伺服電機編碼器信號判斷設備運行的方向；

3）證明了計數(shù)器在主動式體積管流量標準裝置中進行信號采集的可行性，該方法能夠解決長期困擾主動式體積管流量標準裝置的數(shù)據(jù)鎖存問題，具有重要應用意義，同時也有助于提高設備的運行效率并提高經濟效益。