鐘罩式氣體自動檢測控制系統

摘 要：介紹了在標準鐘罩檢測裝置的基礎上增設傳動裝置、旋轉編碼器、計算機等部件組成系統，形成了可自動計量、檢定的全自動鐘罩式氣體檢定裝置。計算機對PLC采集的所有的數據進行處理，對現場進行實時監控，自動計算分析檢測數據，并自動打印出檢定結果。該自動檢定系統的實現，對于提高氣體流量儀表檢定的效率和準確度具有實際意義。

關鍵詞：鐘罩;PLC;Visual Basic;自動檢測

Bell Prover Automatical Gas Detecting and Controlling System

MAO Xingxing1，DAI Yongcheng2

(1.Tianjin China No.5 Machine Tool WorksTechnique Section，Tianjin，300222，China;

2.North China Institute of Aerospace EngineeringEssential Experimental Department，Langfang，065000，China)

Abstract：The essay mainly focuses on adding components such as transmission device，rotary encoder，and computer to a standard bell prover detecting device，to form a new bell prover gas detecting device，which can measure and inspect automatically.Computer is responsible for processing all data collecting by PLC，and proceeding real-time monitoring to the field，then coming out the comparison result of the analysis.It also prints the result automatically.The achievement of this detecting system will be a great significance to boost the efficiency and accuracy of the detection of the gas flowmeter.

Keywords：bell prover;PLC;Visual Basic;detection



鐘罩式氣體計量器是標定氣體流量儀表的標準裝置，是以鐘罩內有效容積作為標準體積，當鐘罩下降時，排出鐘罩內的氣體經測試管道通往被測氣體流量計，比較鐘罩內排出的氣體與被測氣體流量計計量的氣體體積，求取儀表的精度。鐘罩式氣體計量檢定系統主要有三種工作形式：手動檢測、直讀式；半自動檢測(配有流量計算儀)；全自動檢測(計算機控制)完成對整個檢測過程的自動控制。本文詳細介紹全自動過程的實現方法，它結合計算機和PLC技術，實現鐘罩檢測裝置對被測氣體流量計的全自動檢測。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

鐘罩式氣體自動檢測控制系統主要由以下部分組成：

鐘罩裝置、PLC可編程序控制器、計算機、壓力變送器、溫度變送器、旋轉編碼器、電磁閥、鼓風機、限位開關、繼電器。

1.2 系統工作原理

鐘罩氣體流量標準裝置是以經過標定的鐘罩有效容積為標準容積的計量儀器，當鐘罩下降時，鐘罩內被排出的氣體經過管道排往被測儀表，此時鐘罩排出氣體的體積與流過流量計氣體的體積稱為工況氣體體積，系統將通過氣態方程將鐘罩排出的氣體體積和流量計流過的氣體體積統一換算到壓力101.325 kPa，溫度293.15 K狀態下，換算后的體積稱為標況氣體體積，系統將換算后鐘罩排出的標況氣體體積與流量計流過的標況氣體體積進行比較，來檢測被測流量計的精度，達到檢測目的。

該系統是利用鐘罩式氣體計量器，提供一個壓力穩定的標準體積氣源，使用高分辨率編碼器為鐘罩量筒的位置傳感元件、電磁閥為控制元件，通過程序設定來實現定量排氣，并完成檢測過程的自動控制，使之成為校驗氣體儀表的自動標準裝置。

1.3 系統設計

系統結構框圖如圖1所示。整個系統分兩部分進行設計，下位機采用PLC為核心硬件，監控所有被測量和執行元件；上位機部分以Visual Basic編程為核心，對下位機發來的數據進行處理，得出檢定結果，最后通過數據庫系統保存檢定數據，并提供檢定數據的打印功能。

1.3.1 硬件電路設計

硬件電路主要實現采樣、控制、通訊功能。

(1) 信號采樣

2路溫度變送器 采集鐘罩內氣體溫度、被測流量計表前溫度，并以4～20 mA電流形式輸出；

2路壓力變送器 采集鐘罩內氣體壓力、被測流量計表前壓力，并以4～20 mA電流形式輸出；

2路位置信號 鐘罩提升最高限位信號、鐘罩下降最低位限位信號;

2路脈沖信號 鐘罩升降脈沖信號、被測流量計流量脈沖信號。

(2) 控制

通過控制進氣口、出氣口、排氣口的開閉來控制鐘罩的升降以及鐘罩的升降的速度，以滿足不同的檢測流量；采用光電編碼器測量鐘罩的位移，并對光電編碼器輸出的脈沖信號進行計數，根據光電編碼輸出的脈沖個數來控制鐘罩的上升高度，以確定每次檢測儀表時的檢測體積；在檢測時對光電編碼器輸出的脈沖信號以及被測流量計發出的流量信號進行計數。

(3) 通信

接收上位機發出的檢定控制指令，發送每次檢測的數據和檢測狀態。

(4) PLC

根據以上功能的需要，本設計選用日本松下電工的FP2系列PLC用于對硬件的控制和信號采樣以及對上位機通訊，同時配備FP2-AD8模擬量單元，用于接收各壓力變送器、溫度變送器輸出的模擬量4～20 mA電流信號，并將4～20 mA電流信號轉換為數字量傳送給PLC。PLC控制程序流程圖如圖2所示。

1.3.2 上位機設計

上位機為計算機處理系統，主要用于對流量計檢定參數的設置、檢定數據處理、數據存儲打印，控制命令發送等功能。檢測程序采用Visual Basic程序設計開發，數據采用Access數據庫或者SQL數據庫進行管理。檢測程序通過計算機的232串口與PLC的232串口進行通訊，計算機發送給PLC的通訊信息包括：開始檢測命令、鐘罩穩定時間、下降穩定時間、每次檢測的檢測量、鐘罩上升的高度、流量控制閥的開關等；PLC發送給計算機的數據包括：檢測完畢信號、鐘罩輸出脈沖個數、流量計輸出脈沖個數、鐘罩檢測壓力溫度、被測流量計檢測壓力溫度、檢測流量值等。上位機程序流程圖如圖3所示。

2 系統實現

2.1 檢定流程

檢定過程如圖4所示。在上位機設置好被測流量計的儀表信息之后，上位機向PLC發送檢測命令和檢測參數，檢測參數包括：檢測流量、鐘罩上升高度、穩定時間等。PLC在收到上位機發出的檢定命令以及檢測參數之后，PLC根據規定的檢測參數開始檢測被測流量計。

首先將鐘罩提升，PLC根據加裝在鐘罩上端的旋轉編碼器所發出的脈沖信號的個數來確定鐘罩當前的高度。當鐘罩上升到上位機指定的高度之后，PLC關閉所有出氣、排氣、進氣口閥門，使鐘罩穩定。

鐘罩穩定之后，PLC根據當前上位機要求的檢測流量打開相應的流量控制電磁閥或者是一組流量控制電磁閥。鐘罩下降，旋轉編碼器所發出的脈沖信號，此時流量計也開始計量，同時也輸出脈沖，脈沖個數表示流過流量計的氣體體積。當鐘罩下降距離達到上位機規定的檢測距離，PLC立即停止脈沖計數，同時存儲兩路脈沖的脈沖個數。存儲完畢后，將鐘罩降至指定高度，并保持原位準備下一次檢測。

PLC將兩路脈沖的脈沖個數通過232串口上傳至上位機，同時發出檢測完畢信號。上位機接收到數據和信號后，根據數據計算儀表精度、線性度等儀表指標，并將檢測結果存儲，然后進行下一次檢測，直至所有檢測完畢。

檢測完畢后計算機將所有檢定結果存儲、列表并根據程序規定的格式打印輸出被檢定流量計的檢定證書。

2.2 軟件的設置

2.2.1 權限設置

登錄軟件的人員分不同權限，最高權限為系統管理員，具有所有權限，可以通過管理員生成不同權限的操作員和調試員或者其他自定義人員。操作員權限為檢測儀表、調用檢測記錄等；調試員權限為修改軟件內部設置，系統數據設置等；操作員的操作權限由系統管理員指定。

2.2.2 系統參數的設置

在系統組建完成之后，必須設置一些相應系統參數才能保證檢測系統正常的工作以及系統較高的檢測精度這里包括：

(1) 鐘罩儀表系數：代表旋轉編碼器所發出的脈沖中每單個脈沖代表鐘罩排出氣體的體積數，單位為N/m3。該參數為鐘罩固定參數，每年需校準一次。在上位機檢測軟件中必須設置該系數，否則無法對被測流量計進行檢測。

(2) 流量計儀表系數：代表流量計所發出脈沖中每單個脈沖代表流過流量計氣體的體積數，單位為升每個脈沖，L/N。該參數可設置為流量計固定參數，也可設置為可變參數，在檢測之前輸入，但必須設置，否則系統無法正常檢定。

(3) 標況方的條件：該參數為氣體的標準狀態條件即大氣壓力為101.325 kPa、溫度為293.15 K(即20 ℃)。

(4) 鐘罩提升到指定高度后的穩定時間：鐘罩提升

后，由于在短時間內經過了上升、停止過程會產生顫動，通過穩定時間使鐘罩穩定下來，以減小系統誤差。該參數設置越大鐘罩顫動越小對檢測帶來的影響越小，檢測效果越好，但會降低檢測效率。

(5) 鐘罩檢測下降開始階段穩定脈沖數：鐘罩下降階段，由于經過靜止、下降過程，在下降開始階段會產生顫動，通過使鐘罩下降一段距離脈沖不計量，使鐘罩在這段不計量的過程中減小顫動，減小系統誤差。因此該參數設置越大鐘罩顫動越小，對檢測的影響越小，檢測效果越好，但會降低檢測效率。

(6) 檢測完畢后下降脈沖個數：鐘罩本次檢測完畢后，不能馬上停止鐘罩下降，必須先停止脈沖計數，再停止鐘罩，通過設置此參數，使鐘罩在當次檢測完畢下降一段距離脈沖再停止下降。該參數通過軟件設置，設置不應太大，保證檢測停止與鐘罩止降時間錯開。

2.2.3 打印檢定證書的設置

包括紙張大小、字體大小、正文位置等。

3 結 語

鐘罩式氣體自動檢測控制系統利用光電編碼器的頻率信號實現鐘罩高度的測量，通過頻率、儀表系數的關系，達到測量氣體體積的目的。采用PLC數據采集、實現控制，提高了采集數據的可靠性和準確性；整個系統組成簡單，各模塊之間獨立性和內聚性強，維護方便；在整個檢定過程中，完全由系統控制檢測過程和計算檢定結果，無人為干預，提高了檢測精度，且控制簡便，具有普通適用性。

參 考 文 獻

［1］國家技術監督局.JJG 165-89 鐘罩式氣體流量標準裝置檢定規程［S］.北京：中國計量出版社，2005.

［2］梁國偉，蔡武昌.流量檢測技術及儀表［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］常斗南，李全利，張學武.可編程程序控制器原理、應用、試驗［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［4］劉文濤.Visual Basic + Access數據庫開發與實例［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［5］章立民.SQL Server 2005 數據庫開發實戰［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［6］吳博，黃詠梅，毛謙敏，等.鐘罩式流量標準裝置自動檢定系統的設計與實現［J］.中國計量學院學報，2006，17(4)：268-271.

［7］周兵，繳瑞山，佟海軍，等.基于PLC、組態王設計氣體計量檢定系統［J］ .微計算機信息，2007，23(4)：60-62.

作者簡介 毛行星 男，1980年出生，江西南昌人，助理工程師。研究方向為智能型燃氣儀表、燃氣儀表檢定設備、自動控制。

戴永成 男，1974年出生，湖南武岡人，助理講師。研究方向為計算機控制與通信。