脈沖型流量傳感器檢定儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2943

    傳統(tǒng)的脈沖型流量傳感器儀表系數(shù)的檢定一般由容積式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成，如圖1所示。其儀表系數(shù)定義為單位體積的流體量通過流量傳感器時(shí)傳感器所發(fā)出的脈沖數(shù)，單位通常為1L（脈沖數(shù)每升）或1m3（脈沖數(shù)每立方米）。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，為了保證流量計(jì)儀表系數(shù)的有效性，一般應(yīng)保證一次檢定中流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于被檢流量計(jì)重復(fù)性的13。由于一般計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)誤差為±1個(gè)脈沖，所以在檢定時(shí)間間隔（圖1中兩控制脈沖間的時(shí)間t）內(nèi)，計(jì)數(shù)器應(yīng)收集足夠多的脈沖數(shù)N才能達(dá)到要求的檢定精度。


圖1 儀表系數(shù)標(biāo)定圖

    對(duì)于一些大口徑流量傳感器，由于其儀表系數(shù)一般較小（如200的渦輪流量計(jì)，其儀表系數(shù)僅為1.5/L；  口徑的渦街流量計(jì)，其儀表系數(shù)更低，僅為約0.2/L）。對(duì)于這樣的流量計(jì)，要收集足夠多的脈沖數(shù)，一要花很長的檢定時(shí)間，二要有較大的檢定設(shè)備（較大的標(biāo)準(zhǔn)容器）。由于種種限制，總使計(jì)數(shù)脈沖達(dá)不到要求。雙時(shí)間法計(jì)數(shù)技術(shù)是目前國際上較為通用的脈沖插值技術(shù)，可以在較短的檢定時(shí)間內(nèi)，用較小體積的檢定設(shè)備，在計(jì)數(shù)總脈沖數(shù)較小時(shí)仍能保證足夠的技術(shù)精度的一種脈沖插值技術(shù)，較早應(yīng)用于微型體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

    我們研制的“脈沖型流量傳感器檢定儀”是用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器加上雙時(shí)間法測量控制技術(shù)組成的雙時(shí)間法檢定儀。試驗(yàn)表明，該檢定儀使用方便可靠，可以縮短檢定時(shí)間，用較小的標(biāo)準(zhǔn)容器檢定較大口徑的流量傳感器，并且比常規(guī)檢定方法具有更高的技術(shù)精度。

    1、雙時(shí)間法計(jì)數(shù)器原理

    脈沖內(nèi)插技術(shù)是活塞校驗(yàn)裝置增加流量計(jì)的輸出信號(hào)分辨率，從而減小校驗(yàn)裝置體積的一個(gè)有效途徑。通常，校驗(yàn)流量計(jì)時(shí)為了得到足夠的脈沖數(shù)，可以采取兩個(gè)途徑，一是提高流量計(jì)的輸出信號(hào)分辨率，使有限的校驗(yàn)時(shí)間內(nèi)得到盡可能多的脈沖數(shù)；二是增加校驗(yàn)裝置的計(jì)量有效容積。一般，單位體積流體通過流量計(jì)所輸出的脈沖數(shù)是有限的（如上述的渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)），校驗(yàn)裝置的計(jì)量有效容積也不可能做得很大。脈沖內(nèi)插技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，它有雙時(shí)間法、四時(shí)間法和鎖相環(huán)回路法等幾種方法可供使用。使活塞校驗(yàn)裝置用一個(gè)“小容積”（裝置有效容積）采集500個(gè)脈沖就能達(dá)到大容積校驗(yàn)裝置采集10000個(gè)脈沖相同的精確度。


圖2 雙時(shí)間法

    雙時(shí)間法的原理如圖2a所示。在流量脈沖信號(hào)周期穩(wěn)定的條件下，脈沖內(nèi)插數(shù)為

（1） 

    式中：N為計(jì)數(shù)器記錄下的流量傳感器信號(hào)脈沖數(shù)；N1為經(jīng)雙時(shí)間法或四時(shí)間法內(nèi)插后的脈沖數(shù)；Δt1為從檢測開始信號(hào)到檢測停止信號(hào)的時(shí)間間隔；Δt1為從檢測開始信號(hào)后第一個(gè)脈沖上升沿到檢測停止信號(hào)后第一個(gè)脈沖上升沿之間整脈沖周期時(shí)間間隔。 

    

    在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程規(guī)定的情況下，流量脈沖信號(hào)周期可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，所以用式（1）得到的脈沖內(nèi)插數(shù)應(yīng)該是有效的。

    除了雙時(shí)間法外，還可以用四時(shí)間法來確定脈沖內(nèi)插數(shù)。四時(shí)間法測量4個(gè)時(shí)間t1～t4，如圖2b所示，其脈沖插數(shù)為

N1=N＋（2）

    本文以雙時(shí)間法為例設(shè)計(jì)脈沖型流量傳感器檢定儀。

    2、檢定儀的硬件設(shè)計(jì)

    脈沖型流量傳感器檢定儀的硬件原理框圖如圖3所示。


圖3 雙時(shí)間法流量檢定儀硬件原理框圖

   該檢定儀不采用微處理機(jī)，工作可靠性好�？刂菩盘�(hào)可以用單刀雙擲開關(guān)K1選擇很窄的脈沖信號(hào)，也可以選擇電平信號(hào)。當(dāng)用電平信號(hào)控制時(shí)，又可以用開關(guān)K2選擇高電平控制或低電平控制。

    當(dāng)控制信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)（圖3中第一種控制信號(hào)），開關(guān)K1選擇脈沖控制，設(shè)初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為低電平L（假設(shè)輸出高電平H也沒有關(guān)系），端輸出高電平H反饋到D端。開關(guān)K2選擇高電平控制或低電平控制。

    當(dāng)控制信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)（圖3中第一種控制信號(hào)），開關(guān)K1選擇脈沖控制，設(shè)初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為低電平L（假設(shè)輸出高電平H也沒有關(guān)系），端輸出高電平H反饋到D端。開關(guān)K2選擇高電平控制（如果初始態(tài)觸發(fā)器TR1的Q端輸出為高電平H時(shí)，K2可選擇低電平控制），與非門B、C的輸入端及觸發(fā)器TR2的D端均為低電平，所以，B、C門關(guān)閉，觸發(fā)器TR2的Q端輸出在流量脈沖信號(hào)的作用下也必定為低電平，E門關(guān)閉。計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器T1與T2都在停止?fàn)顟B(tài)。用清零按鈕可以使計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器回復(fù)到初始零態(tài)，顯示全零。

    當(dāng)“開始計(jì)數(shù)”控制信號(hào)脈沖（第一個(gè)控制脈沖）到來時(shí)，由于TR1的D端為高電平H，所以，控制脈沖觸發(fā)TR1使其Q端輸出為高電平H，并立即打開與非門B和C使計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器T1開始計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)。此時(shí)與非門E尚未打開，但觸發(fā)器TR2的D端已為高電平，在控制信號(hào)前沿后的第一個(gè)流量信號(hào)上升沿觸發(fā)TR2，使其Q端輸出高電平而打開與非門E，計(jì)時(shí)器T2也開始計(jì)時(shí)。

    當(dāng)“停止計(jì)數(shù)”控制信號(hào)脈沖（第二個(gè)控制脈沖）到來時(shí)，TR1再次被觸發(fā)而使Q端輸出低電平L，從而立即關(guān)閉與非門B和C，使計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器T1停止計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)。但與非門E并未立即關(guān)閉，而要到“停止計(jì)數(shù)”控制信號(hào)脈沖前沿后的第一個(gè)流量信號(hào)上升沿才能觸發(fā)TR2而輸出低電平L，關(guān)閉與非門E而使計(jì)時(shí)器T2停止計(jì)時(shí)。將從計(jì)時(shí)器T1和T2得到的數(shù)據(jù)代入式（1），就可得到比較準(zhǔn)確的脈沖內(nèi)插數(shù)。

    當(dāng)控制信號(hào)為電平信號(hào)時(shí)（圖3中第二、三種控制信號(hào)），開關(guān)K1選擇電平控制，這樣就相當(dāng)于跨過觸發(fā)器TR1而直接控制與非門B和C及觸發(fā)器TR2的D端。分別針對(duì)高電平起作用或低電平起作用選擇開關(guān)K2指向高電平控制或低電平控制。其余的動(dòng)作與脈沖控制完全一樣。

    3、指標(biāo)和結(jié)果

    3.1 檢定儀指標(biāo)

    除了上述作為可控計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器外，該檢定儀還具有測量信號(hào)頻率和周期的功能。不用于檢定流量計(jì)時(shí)，可單獨(dú)作為測量信號(hào)頻率或周期的儀表使用。

    具體指標(biāo)如下：

    ① 計(jì)時(shí)器，6位LED顯示，分辨率為1ms；

    ② 計(jì)時(shí)器（包括頻率和周期），8位LED顯示，最高分辨率為頻率為1Hz，周期為0.1μs，計(jì)數(shù)為±1個(gè)脈沖；

    ③ 測量范圍：頻率為10Hz～100MHz，周期為0.5μs～10s，計(jì)數(shù)容量為99 999 999，計(jì)時(shí)器為1ms～999.999s；

    ④ T1和T2手動(dòng)切換顯示。

    3.2 測試結(jié)果

    ① 用51系列微處理機(jī)輸出周期方波信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)頻率和周期測量，結(jié)果列于表1。

表1 用周期方波作為標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)結(jié)果


   ② 用標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)發(fā)生儀校驗(yàn)，結(jié)果列于表2。

表2 用標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)發(fā)生器校驗(yàn)的結(jié)果


③ 該檢定儀用于渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)的檢定，取得了良好的結(jié)果。

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