關(guān)于智能蒸汽流量計行業(yè)標準裝置研制的探討
點擊次數(shù)：2624 發(fā)布時間：2021-01-07 15:15:09
【摘要】本文依托當(dāng)前智能蒸汽流量計量檢定方面的要求，根據(jù)儀表行業(yè)現(xiàn)狀，提出要研制出一種更加高效的計量檢定標準裝置用于高效地進行檢定工作，因此在本文當(dāng)中提出了相關(guān)的研究內(nèi)容和研究思路，希望可以為檢定裝置的研制提供參考的思路。
1 引言
隨著儀表行業(yè)的擴張，智能蒸汽流量計使用量大增，給檢定帶來了非常大的壓力，檢定工作量大，任務(wù)艱巨，因此檢定部門迫切需求先進的標準檢定儀器，因此探索智能蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制，具有非常顯著的現(xiàn)實意義。
2 研制內(nèi)容思考
本課題的研究旨在為智能蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制提供一些可以參考的思路和方法，因此在本課題的*一部分，重點就研制內(nèi)容進行分析討論。因此基于智能蒸汽流量計量檢定標準裝置研制這一課題，試圖依托現(xiàn)行**標準，完成對智能蒸汽流量計性能指標的測試工作，對計量檢定標準裝置的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)組成等進行多方面的設(shè)計論證，形成具體的計量檢定標準裝置研制的具體思路。
主要內(nèi)容上，*先，考慮高分辨率，多路多信號的信號采集系統(tǒng)，為保證檢定效率以及檢定精確度，考慮研制多路信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個智能蒸汽流量計的信息采集。研究思路上包括多路采集電路板研制、確定通訊方式，確定電路板抗干擾方法，研究提高信號采集分辨率的方法，確定多信號通道集成的方法。多路信號通信設(shè)計使用和S P I 總線通訊，抗干擾方法擬采用光電隔離技術(shù)。使用信號放大器和高位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片提高分辨率。
其次，自動電控系統(tǒng)裝置，為了保證裝置對智能蒸汽流量計重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等檢定指標的檢定，需要達到標準氣體的氣壓、流量、氣路通斷、實時工況的自動操控，因此考慮以 PLC 為主控裝置來實現(xiàn)電控，依托P L C 程序來完成自動電控設(shè)計，硬件裝置上配置工作站，標準氣體氣壓和流量控制裝置。具體上以 PLC 為核心，配合電磁閥、真空裝置、繼電器、電源、通信模塊、管線等硬件，并設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動控制程序，實現(xiàn)自動化的檢定控制。
3 研制方案思考
3.1 裝置工作原理
根據(jù)作業(yè)環(huán)境氣體檢測報警儀通用技術(shù)要求對計量部分的檢定要求來看，既定裝置的檢定項目包括重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等，根據(jù)這些項目，結(jié)合上文內(nèi)容確定裝置的組成包括信號采集、通訊、電氣控制和控制軟件四個部分。由此組成的裝置，工作原理如下：電氣控制部分涵蓋高壓氣瓶等硬件裝置，用以控制高壓標準氣體的氣壓和流量，高壓氣瓶輸出標準氣體到傳感器，為了保證標準氣體的濃度，因此假設(shè)通過真空處理，來保證不同濃度氣體切換時濃度的穩(wěn)定性，標準氣體在輸出過程當(dāng)中要經(jīng)過減壓限流裝置控制標準氣體的氣壓和流量，并輸送到傳感器中。信號采集裝置將傳感器的信號采集起來并上傳至上位機，上位機部分則包括 PLC 和工作站，在這個部分通過設(shè)計的程序來完成電氣控制與數(shù)據(jù)處理上的工作，實現(xiàn)自動化檢定。
3.2 研制裝置功能模塊
*先電氣控制模塊，主要任務(wù)是在 P L C 的控制下實現(xiàn)對減壓限流裝置的自動控制，以此來保證輸出標準氣體的氣壓、流量，確保標準氣體有效地融入被檢定的智能蒸汽流量計當(dāng)中，實現(xiàn)自動控制、采集與計算。整個自動電控系統(tǒng)包括 P L C、電磁閥、標準氣體儲存瓶、氣壓表、穩(wěn)壓器、減壓限流裝置、公共艙體、流量計、控制電路等組成。程序方面要求 OLC 根據(jù)上位機的控制指令來完成對電磁閥的驅(qū)動，并且要有自檢能力，同時要實現(xiàn)根據(jù)運算的結(jié)果，自動發(fā)出控制指令，完成控制過程，且要具備手動控制功能。
其次，信號采集模塊，主要任務(wù)是未來完成對智能蒸汽流量計性能指標信息的采集，為了完成這一目標，結(jié)合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實現(xiàn)多路檢定，電路板使用信號放大器以及高位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)高分辨率的信號采集，同時利用光電隔離技術(shù)來提高抗干擾能力。總結(jié)起來，信號采集模塊要實現(xiàn)對多種信號的集成，變換，隔離和放大，為此考慮使用單片機來進行信息采集與處理并通過總線方式來上傳到主板單片機。單片機主要完成對A / D 芯片的控制以及接收芯片輸出的信號，通過編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，將接收的信號處理后上傳至主板單片機。主板單片機通過必要電路與上位機通訊。
再次，通訊模塊，其主要任務(wù)在于完成電氣控制部分和上位機之間的通訊。通訊網(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通訊技術(shù)和 USB 通訊技術(shù)，實用無線互聯(lián)模塊，USB 通訊上使用專業(yè)芯片來構(gòu)建 USB 通訊。
*后工作站及 P L C 的程序設(shè)計，P L C 程序設(shè)計按照選用的 PLC 所提供的程序設(shè)計軟件進行設(shè)計，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點內(nèi)容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準，示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時間、漂移等的檢定。
3.3 研制裝置成效
根據(jù)上文的思路設(shè)計研制了一款智能蒸汽流量計量檢定標準裝置，經(jīng)過后期的安裝調(diào)試后，確定其主要參數(shù)包括，測量標準電壓范圍 0 ～ 5V，分辨率 0.001V，測試標準電流范圍 4 ～ 20 毫安，分辨率 0.01 毫安，測試標準頻率范圍 0 ～ 10KHz，分辨率 1Hz。電源參數(shù) 22V/AC。適合 5 ～45 攝氏度環(huán)境。
按照這一裝置，選用多部智能蒸汽流量計進行實驗檢定，并通過數(shù)據(jù)分析處理后得出如下結(jié)論，A / D 采集線性度誤差為 0.12%，基本上可以保證一定的測試準確度，因此針對智能蒸汽流量計進行檢定實驗，結(jié)果顯示，被實驗對象探測器零點漂移為零，示值誤差在 0.5 ～ 0.9% 之間。示值誤差方面在不考慮其他條件的情況下誤差范圍在 -1.5 ～0.8% 之間。重復(fù)性測量誤差在 0.16 ～ 0.22% 之間。響應(yīng)時間平均值在 16.37 ～ 28.84s 之間。
根據(jù)實驗結(jié)論來看，0.12% 的信息采集線性度誤差產(chǎn)生的原因可能是標準信號源不穩(wěn)定，采樣環(huán)境本身線性度較差。但總體上來說對探測器檢定影響不大。根據(jù)檢定項目來看，實驗結(jié)果相對比較理想。
4 結(jié)語
綜上所述，對于智能蒸汽流量計的計量標準檢定裝置的研制具有必要性，目前智能蒸汽流量計的應(yīng)用量大，對檢定工作提出了很高的要求，因此適合的檢定裝置是保證檢定工作順利高效展開的關(guān)鍵，因此研制專門的計量檢定裝置具有顯著的現(xiàn)實意義，因此在本文當(dāng)中探索了一種檢定裝置的研制開發(fā)思路，可能存在不足之處，但希望可以為智能蒸汽流量計的檢定裝置的開發(fā)研究提供一定的參考思路。
1 引言
隨著儀表行業(yè)的擴張，智能蒸汽流量計使用量大增，給檢定帶來了非常大的壓力，檢定工作量大，任務(wù)艱巨，因此檢定部門迫切需求先進的標準檢定儀器，因此探索智能蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制，具有非常顯著的現(xiàn)實意義。
2 研制內(nèi)容思考
本課題的研究旨在為智能蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制提供一些可以參考的思路和方法，因此在本課題的*一部分，重點就研制內(nèi)容進行分析討論。因此基于智能蒸汽流量計量檢定標準裝置研制這一課題，試圖依托現(xiàn)行**標準，完成對智能蒸汽流量計性能指標的測試工作，對計量檢定標準裝置的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)組成等進行多方面的設(shè)計論證，形成具體的計量檢定標準裝置研制的具體思路。
主要內(nèi)容上，*先，考慮高分辨率，多路多信號的信號采集系統(tǒng)，為保證檢定效率以及檢定精確度，考慮研制多路信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個智能蒸汽流量計的信息采集。研究思路上包括多路采集電路板研制、確定通訊方式，確定電路板抗干擾方法，研究提高信號采集分辨率的方法，確定多信號通道集成的方法。多路信號通信設(shè)計使用和S P I 總線通訊，抗干擾方法擬采用光電隔離技術(shù)。使用信號放大器和高位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片提高分辨率。
其次，自動電控系統(tǒng)裝置，為了保證裝置對智能蒸汽流量計重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等檢定指標的檢定，需要達到標準氣體的氣壓、流量、氣路通斷、實時工況的自動操控，因此考慮以 PLC 為主控裝置來實現(xiàn)電控，依托P L C 程序來完成自動電控設(shè)計，硬件裝置上配置工作站，標準氣體氣壓和流量控制裝置。具體上以 PLC 為核心，配合電磁閥、真空裝置、繼電器、電源、通信模塊、管線等硬件，并設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動控制程序，實現(xiàn)自動化的檢定控制。
3 研制方案思考
3.1 裝置工作原理
根據(jù)作業(yè)環(huán)境氣體檢測報警儀通用技術(shù)要求對計量部分的檢定要求來看，既定裝置的檢定項目包括重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等，根據(jù)這些項目，結(jié)合上文內(nèi)容確定裝置的組成包括信號采集、通訊、電氣控制和控制軟件四個部分。由此組成的裝置，工作原理如下：電氣控制部分涵蓋高壓氣瓶等硬件裝置，用以控制高壓標準氣體的氣壓和流量，高壓氣瓶輸出標準氣體到傳感器，為了保證標準氣體的濃度，因此假設(shè)通過真空處理，來保證不同濃度氣體切換時濃度的穩(wěn)定性，標準氣體在輸出過程當(dāng)中要經(jīng)過減壓限流裝置控制標準氣體的氣壓和流量，并輸送到傳感器中。信號采集裝置將傳感器的信號采集起來并上傳至上位機，上位機部分則包括 PLC 和工作站，在這個部分通過設(shè)計的程序來完成電氣控制與數(shù)據(jù)處理上的工作，實現(xiàn)自動化檢定。
3.2 研制裝置功能模塊
*先電氣控制模塊，主要任務(wù)是在 P L C 的控制下實現(xiàn)對減壓限流裝置的自動控制，以此來保證輸出標準氣體的氣壓、流量，確保標準氣體有效地融入被檢定的智能蒸汽流量計當(dāng)中，實現(xiàn)自動控制、采集與計算。整個自動電控系統(tǒng)包括 P L C、電磁閥、標準氣體儲存瓶、氣壓表、穩(wěn)壓器、減壓限流裝置、公共艙體、流量計、控制電路等組成。程序方面要求 OLC 根據(jù)上位機的控制指令來完成對電磁閥的驅(qū)動，并且要有自檢能力，同時要實現(xiàn)根據(jù)運算的結(jié)果，自動發(fā)出控制指令，完成控制過程，且要具備手動控制功能。
其次，信號采集模塊，主要任務(wù)是未來完成對智能蒸汽流量計性能指標信息的采集，為了完成這一目標，結(jié)合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實現(xiàn)多路檢定，電路板使用信號放大器以及高位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)高分辨率的信號采集，同時利用光電隔離技術(shù)來提高抗干擾能力。總結(jié)起來，信號采集模塊要實現(xiàn)對多種信號的集成，變換，隔離和放大，為此考慮使用單片機來進行信息采集與處理并通過總線方式來上傳到主板單片機。單片機主要完成對A / D 芯片的控制以及接收芯片輸出的信號，通過編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，將接收的信號處理后上傳至主板單片機。主板單片機通過必要電路與上位機通訊。
再次，通訊模塊，其主要任務(wù)在于完成電氣控制部分和上位機之間的通訊。通訊網(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通訊技術(shù)和 USB 通訊技術(shù)，實用無線互聯(lián)模塊，USB 通訊上使用專業(yè)芯片來構(gòu)建 USB 通訊。
*后工作站及 P L C 的程序設(shè)計，P L C 程序設(shè)計按照選用的 PLC 所提供的程序設(shè)計軟件進行設(shè)計，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點內(nèi)容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準，示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時間、漂移等的檢定。
3.3 研制裝置成效
根據(jù)上文的思路設(shè)計研制了一款智能蒸汽流量計量檢定標準裝置，經(jīng)過后期的安裝調(diào)試后，確定其主要參數(shù)包括，測量標準電壓范圍 0 ～ 5V，分辨率 0.001V，測試標準電流范圍 4 ～ 20 毫安，分辨率 0.01 毫安，測試標準頻率范圍 0 ～ 10KHz，分辨率 1Hz。電源參數(shù) 22V/AC。適合 5 ～45 攝氏度環(huán)境。
按照這一裝置，選用多部智能蒸汽流量計進行實驗檢定，并通過數(shù)據(jù)分析處理后得出如下結(jié)論，A / D 采集線性度誤差為 0.12%，基本上可以保證一定的測試準確度，因此針對智能蒸汽流量計進行檢定實驗，結(jié)果顯示，被實驗對象探測器零點漂移為零，示值誤差在 0.5 ～ 0.9% 之間。示值誤差方面在不考慮其他條件的情況下誤差范圍在 -1.5 ～0.8% 之間。重復(fù)性測量誤差在 0.16 ～ 0.22% 之間。響應(yīng)時間平均值在 16.37 ～ 28.84s 之間。
根據(jù)實驗結(jié)論來看，0.12% 的信息采集線性度誤差產(chǎn)生的原因可能是標準信號源不穩(wěn)定，采樣環(huán)境本身線性度較差。但總體上來說對探測器檢定影響不大。根據(jù)檢定項目來看，實驗結(jié)果相對比較理想。
4 結(jié)語
綜上所述，對于智能蒸汽流量計的計量標準檢定裝置的研制具有必要性，目前智能蒸汽流量計的應(yīng)用量大，對檢定工作提出了很高的要求，因此適合的檢定裝置是保證檢定工作順利高效展開的關(guān)鍵，因此研制專門的計量檢定裝置具有顯著的現(xiàn)實意義，因此在本文當(dāng)中探索了一種檢定裝置的研制開發(fā)思路，可能存在不足之處，但希望可以為智能蒸汽流量計的檢定裝置的開發(fā)研究提供一定的參考思路。