臧振勝

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀是一種高精度的智能化計量儀表，可以測量計量時間、脈沖信號和電流信號。工業(yè)儀表的輸出信號多為脈沖輸出和4mA～20mA電流輸出，脈沖輸出多以當(dāng)量脈沖的方式計量時間段內(nèi)的累積流量，4mA～20mA電流輸出多用來表示被測儀表的瞬時流量值。常見流量儀表的類型有渦輪流量計、渦街流量計、旋進(jìn)旋渦流量計、羅茨流量計、電磁流量計和質(zhì)量流量計。不同于工業(yè)流量積算儀二次儀表，標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀主要用于計量檢定和校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)裝置。如音速噴嘴氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、靜動態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、靜動態(tài)容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]。

圖1 J1端子頻率采集端子定義Fig.1 Definition of terminal frequency acquisition terminal of j1 terminal

1 硬件構(gòu)成

標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀硬件可以采集多個通道的脈沖信號（標(biāo)準(zhǔn)時間晶振脈沖、標(biāo)準(zhǔn)表流量脈沖信號和被檢表流量脈沖信號）和4mA～20mA電流信號（被檢表流量電流信號、工況溫度、工況壓力和工況濕度）。儀表具有RS232/RS 485串口和以太網(wǎng)接口便于與流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的上位機(jī)組態(tài)軟件和PLC控制器實現(xiàn)對接[2]。

1.1 脈沖信號

脈沖信號主要包括標(biāo)準(zhǔn)晶振時鐘脈沖和流量脈沖信號。時鐘脈沖信號采用高于3ppm的低溫漂高精度晶振進(jìn)行分頻輸出，以保證計時的準(zhǔn)確性。為了便于對時鐘晶振進(jìn)行測試，儀表預(yù)留了測試端口，將檢定后的時鐘頻率值填寫至標(biāo)準(zhǔn)時間設(shè)置參數(shù)中，可以提高時間測量的精度。標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表流量脈沖信號，經(jīng)過施密特整形和電平轉(zhuǎn)換電路以后，變成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號輸入到后端的脈沖累加“計數(shù)”和瞬時“頻率”測量，測量值經(jīng)過后續(xù)的計算處理可以顯示瞬時流量、累積流量和計量時間。常用的計算公式為：瞬時流量 = 信號頻率 / 流量系數(shù)，頻率輸入的通道為HSC1、HSC2、HSC3和HSC4[3]。

1.2 4mA～20mA電流信號

J3端子同時具有三線制熱電阻RTD1和RTD2的采集，接線T+接PT100A、接線T-接PT100B、接線GND接PT100B。模擬輸入支持電壓0V～10V輸入和電流4mA～20mA輸入，應(yīng)用電路輸入模式時，需要將V1和V2接GND[4]。

圖2 J3端子電流采集端子定義Fig.2 Definition of J3 terminal current acquisition terminal

2 儀表接口

2.1 接線端子

儀表對外的接線端子包括RS232接口、RS485接口、脈沖輸入接口、電流輸入接口、外控IO接口、晶振測試接口和供電電源接口。具體的定義如下[5]：

1）晶振輸出口+（分頻后）

2）晶振輸出口-（分頻后）

3）RS232接口P2

4）RS232接口P3

5）RS232接口P5_GND

6）RS485A

7）RS485B

8）RS485_GND

9）1路脈沖信號輸入端 500kHz

10）1路脈沖信號GND

11）2路脈沖信號輸入端 500kHz

12）2路脈沖信號GND

13）3路脈沖信號輸入端 500kHz

14）3路脈沖信號GND

15）4路脈沖信號輸入端 500kHz

16）4路脈沖信號GND

17）1路電流信號24V（兩線制供電）

18）1路電流信號輸入端 4mA～20mA

19）1路電流信號GND

20）2路電流信號24V（兩線制供電）

21）2路電流信號輸入端 4mA～20mA

22）2路電流信號GND

23）220V電源L

24）220V電源N

25）220V電源GE

26）24V電源+

27）24V電源-

2.2 參數(shù)配置

1路脈沖信號的流量系數(shù)（1.0）

2路脈沖信號的流量系數(shù)（1.0）

3路脈沖信號的流量系數(shù)（1.0）

4路脈沖信號的流量系數(shù)（1.0）

1路電流信號4mA對應(yīng)流量

1路電流信號20mA對應(yīng)流量

2路電流信號4mA對應(yīng)流量

2路電流信號20mA對應(yīng)流量

工業(yè)熱電阻RTD1+

工業(yè)熱電阻RTD1-

工業(yè)熱電阻RTD1GND

工業(yè)熱電阻RTD2+

工業(yè)熱電阻RTD2-

工業(yè)熱電阻RTD2GND

485地址

通訊波特率

晶振頻率

1路電流信號4mA校準(zhǔn)值

1路電流信號20mA校準(zhǔn)值

2路電流信號4mA校準(zhǔn)值

2路電流信號20mA校準(zhǔn)值

2.3 顯示參數(shù)

儀表應(yīng)用LCD12864液晶顯示，可以顯示：1）晶振頻率；2）計量時間；3）1路脈沖頻率；4）1路脈沖累積；5）2路脈沖頻率；6）2路脈沖累積；7）1路瞬時電流；8）1路平均電流；9）2路瞬時電流；10）2路平均電流，以及經(jīng)過參數(shù)計算得到的瞬時流量和累積流量值。儀表顯示如果液晶或者LED長度足夠長，可以足位的顯示數(shù)值的小數(shù)點位數(shù)，如都顯示3位小數(shù)點。但是往往儀表的數(shù)值顯示位數(shù)有限，不能將所有數(shù)值都顯示足位的小數(shù)點位數(shù)，因此需要進(jìn)行顯示處理，如當(dāng)數(shù)值顯示位數(shù)一共有五位時，數(shù)值小于100時，小數(shù)點保留三位；數(shù)值介于100和1000之間時，小數(shù)點保留兩位；小數(shù)點介于1000和10000之間時，小數(shù)點保留1位；而當(dāng)數(shù)值大于10000時，不顯示小數(shù)點[6]。

3 控制邏輯

3.1 計量控制

標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀的計時計數(shù)的啟動、停止共有3種控制方式[7,8]。

1）前面板按鍵控制。通過啟動、停止、清零按鍵實現(xiàn)采集控制，啟動實現(xiàn)時間和流量累積，停止實現(xiàn)時間和流量累積停止，清零實現(xiàn)時間和累積量清零。

2）后面板DI控制。有外控開關(guān)觸點和脈沖數(shù)量兩種控制方式。DI為高電平時，時間和流量開始累積（并清零處理）；DI為低電平時，時間和流量停止累積。

3）PC通過串口RS232/RS485發(fā)送控制指令，以實現(xiàn)計時計數(shù)啟動、停止及清零，3種動作對應(yīng)不同的命令內(nèi)容。

3.2 定量控制

1）方式一：點擊“開始”按鈕進(jìn)行計數(shù)，在控制器上設(shè)置計量時間的上限閾值，如設(shè)置為40s，則計量開始后達(dá)到40s時觸發(fā)動作停止計量，此時的標(biāo)準(zhǔn)表脈沖數(shù)、被檢表脈沖數(shù)（或電流值）以及時間脈沖數(shù)參與后續(xù)的誤差和不確定度計算。

2）方式二：設(shè)備預(yù)留DI開關(guān)量輸入觸點，默認(rèn)情況下DI為低電平0，有啟動動作時DI為高電平1。檢定過程是外接設(shè)備如換向器機(jī)械動作時觸發(fā)高電平至DI端口設(shè)備開始計量，一段時間后，換向器機(jī)械動作觸發(fā)低電平至DI端口設(shè)備停止計量，如上述一樣此時的采集數(shù)值參與后續(xù)的誤差和不確定度計算。

3）方式三：設(shè)備預(yù)留RS232和RS485接口，給串口發(fā)送啟動命令時，計量設(shè)備啟動開始采集；同理給串口發(fā)送停止命令時，計量設(shè)備停止采集并將采集數(shù)值參與后續(xù)計算。由于計量過程對單次操作的時間并沒有明確的要求，因此人工控制或者通過上位機(jī)邏輯控制發(fā)送串口命令都能達(dá)到預(yù)期的計量效果。

4 結(jié)論

本文闡述了標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀的研發(fā)過程，從硬件構(gòu)成、儀表接口和控制邏輯幾個方面，詳細(xì)描述了標(biāo)準(zhǔn)裝置在計量檢定和校準(zhǔn)中的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀可以通過按鍵、開關(guān)量觸發(fā)、串口命令幾種方式實現(xiàn)設(shè)備的啟?？刂坪蛿?shù)值清零。標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀可以準(zhǔn)確可靠地采集標(biāo)準(zhǔn)計量時間、標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的脈沖頻率、脈沖累積量以及被檢表的電流信號值，儀表還可以根據(jù)數(shù)值大小調(diào)整小數(shù)點的顯示位數(shù)。經(jīng)測試比較，標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀可以穩(wěn)定高效地作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的計量儀表，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。