計數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，采集系統通過定制的光柵卡進行數據鎖存，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，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，在進行數據鎖存的過程中光柵卡偶爾會發生硬件錯誤，導致無法鎖存數據，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，其無法進行數據鎖存的可能性也更大，如果光柵卡出現無法進行數據鎖存的情況，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。

本文針對現有光柵卡性能不穩定有時無法鎖存數據的問題，根據光柵尺信號的特點，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，將信號并聯輸出，分別接入到計數器和光柵卡內，通過對不同流量點進行測試，將兩套數據采集系統采集的數據進行對比，證明了本文提出的基于雙計時法的使用計數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，有效解決定制光柵卡性能不穩定有時無法進行數據鎖存的問題，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、采集系統、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體積管處的溫度和壓力值以及體積管性能參數依據規程進行修正得到的［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，當流量計的示值穩定時，點擊開始采集按鈕，當達到規定的采樣時間時，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生無法鎖存數據的情況，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，同時還能夠根據其判斷光柵尺的運行方向。根據現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定運行的過程中，該A+信號相對于零電勢點就是一路穩定脈沖輸出的TTL信號［6］。

2.2 測量方法的設計

GB/T17286.3-2010/ISO 7278-3：1998《液態烴動態測量體積計量流量計檢定系統第3部分：脈沖插入技術》中規定，計量校準過程中，測控系統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法。

根據裝置的運行特點，使用雙計時法進行光柵尺頻率測量。開始觸發后，在標準器產生第一個脈沖的上升沿的時刻，計數器開始計數且計時器開始計時，在發出停止命令后，標準器產生下一個脈沖的上升沿的時刻，計數器停止計數且計時器停止計時。可計算得到標準器在這段時間內的平均頻率［8］。根據雙計時法的原理，自制同步電路板，可準確地在發出開始和停止命令時形成一個門控電路，計數器可以準確獲取脈沖計數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 計數器選擇

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

1）有兩路 32位計數通道，最大計數值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：high/low/disabled，門控信號（高或低）可以觸發計數器開始或停止計時；

5）隔離輸入：-邏輯0：最大+1 V，-邏輯1：+3.5～+30 V。

這款計數器易實現在組態軟件下的編程和控制，通過對現有的軟件進行較小改動即可實現這款計數器的數據采集和控制。

2.4 標準流量的計算方法

根據光柵尺的信號特點，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。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，一路繼續接入原先的數據采集系統，另一路A+和0 V信號接入新的數據采集系統，將兩套數據采集系統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器和計時器，使用一個軟件同時控制兩套系統進行數據采集。

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

3.2 實驗結果分析

每個點采集三次數據，并求出三次數據采集的平均值。使用光柵卡進行數據采集可以得到標準流量qv1，使用計數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數據可知，本文研制的系統與原系統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 標準流量數據采集對比

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據采集系統進行采集；

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據鎖存問題，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據鎖存問題，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。