標準流量積算儀的研究與實現

臧振勝

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

標準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，脈沖輸出多以當量脈沖的方式計量時間段內的累積流量，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、旋進旋渦流量計、羅茨流量計、電磁流量計和質量流量計。不同于工業流量積算儀二次儀表，標準流量積算儀主要用于計量檢定和校準的標準裝置。如音速噴嘴氣流量標準裝置、鐘罩式氣體流量標準裝置、靜動態質量法水流量標準裝置、靜動態容積法水流量標準裝置和標準體積管流量標準裝置[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 硬件構成

標準流量積算儀硬件可以采集多個通道的脈沖信號（標準時間晶振脈沖、標準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串口和以太網接口便于與流量標準裝置中的上位機組態軟件和PLC控制器實現對接[2]。

1.1 脈沖信號

脈沖信號主要包括標準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行分頻輸出，以保證計時的準確性。為了便于對時鐘晶振進行測試，儀表預留了測試端口，將檢定后的時鐘頻率值填寫至標準時間設置參數中，可以提高時間測量的精度。標準表和被檢表流量脈沖信號，經過施密特整形和電平轉換電路以后，變成標準的TTL電平信號輸入到后端的脈沖累加“計數”和瞬時“頻率”測量，測量值經過后續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，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 參數配置

1路脈沖信號的流量系數（1.0）

2路脈沖信號的流量系數（1.0）

3路脈沖信號的流量系數（1.0）

4路脈沖信號的流量系數（1.0）

1路電流信號4mA對應流量

1路電流信號20mA對應流量

2路電流信號4mA對應流量

2路電流信號20mA對應流量

工業熱電阻RTD1+

工業熱電阻RTD1-

工業熱電阻RTD1GND

工業熱電阻RTD2+

工業熱電阻RTD2-

工業熱電阻RTD2GND

485地址

通訊波特率

晶振頻率

1路電流信號4mA校準值

1路電流信號20mA校準值

2路電流信號4mA校準值

2路電流信號20mA校準值

2.3 顯示參數

儀表應用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，以及經過參數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，可以足位的顯示數值的小數點位數，如都顯示3位小數點。但是往往儀表的數值顯示位數有限，不能將所有數值都顯示足位的小數點位數，因此需要進行顯示處理，如當數值顯示位數一共有五位時，數值小于100時，小數點保留三位；數值介于100和1000之間時，小數點保留兩位；小數點介于1000和10000之間時，小數點保留1位；而當數值大于10000時，不顯示小數點[6]。

3 控制邏輯

3.1 計量控制

標準流量積算儀的計時計數的啟動、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、清零按鍵實現采集控制，啟動實現時間和流量累積，停止實現時間和流量累積停止，清零實現時間和累積量清零。

2）后面板DI控制。有外控開關觸點和脈沖數量兩種控制方式。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發送控制指令，以實現計時計數啟動、停止及清零，3種動作對應不同的命令內容。

3.2 定量控制

1）方式一：點擊“開始”按鈕進行計數，在控制器上設置計量時間的上限閾值，如設置為40s，則計量開始后達到40s時觸發動作停止計量，此時的標準表脈沖數、被檢表脈沖數（或電流值）以及時間脈沖數參與后續的誤差和不確定度計算。

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

3）方式三：設備預留RS232和RS485接口，給串口發送啟動命令時，計量設備啟動開始采集；同理給串口發送停止命令時，計量設備停止采集并將采集數值參與后續計算。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邏輯控制發送串口命令都能達到預期的計量效果。

4 結論

本文闡述了標準流量積算儀的研發過程，從硬件構成、儀表接口和控制邏輯幾個方面，詳細描述了標準裝置在計量檢定和校準中的應用。標準流量積算儀可以通過按鍵、開關量觸發、串口命令幾種方式實現設備的啟停控制和數值清零。標準流量積算儀可以準確可靠地采集標準計量時間、標準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，儀表還可以根據數值大小調整小數點的顯示位數。經測試比較，標準流量積算儀可以穩定高效地作為標準裝置的計量儀表，達到了預期的設計效果。