關于過熱蒸汽流量計行業標準裝置研制的探討
點擊次數：2384 發布時間：2021-01-07 15:17:53
【摘要】本文依托當前過熱蒸汽流量計量檢定方面的要求，根據儀表行業現狀，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，因此在本文當中提出了相關的研究內容和研究思路，希望可以為檢定裝置的研制提供參考的思路。
1 引言
隨著儀表行業的擴張，過熱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，因此探索過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制，具有非常顯著的現實意義。
2 研制內容思考
本課題的研究旨在為過熱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，重點就研制內容進行分析討論。因此基于過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置研制這一課題，試圖依托現行**標準，完成對過熱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原理、系統組成等進行多方面的設計論證，形成具體的計量檢定標準裝置研制的具體思路。
主要內容上，*先，考慮高分辨率，多路多信號的信號采集系統，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，實現對多個過熱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。使用信號放大器和高位 A/D 轉換芯片提高分辨率。
其次，自動電控系統裝置，為了保證裝置對過熱蒸汽流量計重復性、示值誤差、響應時間、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 為主控裝置來實現電控，依托P L C 程序來完成自動電控設計，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，并設計相應的驅動控制程序，實現自動化的檢定控制。
3 研制方案思考
3.1 裝置工作原理
根據作業環境氣體檢測報警儀通用技術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性、示值誤差、響應時間、漂移等，根據這些項目，結合上文內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，因此假設通過真空處理，來保證不同濃度氣體切換時濃度的穩定性，標準氣體在輸出過程當中要經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，在這個部分通過設計的程序來完成電氣控制與數據處理上的工作，實現自動化檢定。
3.2 研制裝置功能模塊
*先電氣控制模塊，主要任務是在 P L C 的控制下實現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過熱蒸汽流量計當中，實現自動控制、采集與計算。整個自動電控系統包括 P L C、電磁閥、標準氣體儲存瓶、氣壓表、穩壓器、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 根據上位機的控制指令來完成對電磁閥的驅動，并且要有自檢能力，同時要實現根據運算的結果，自動發出控制指令，完成控制過程，且要具備手動控制功能。
其次，信號采集模塊，主要任務是未來完成對過熱蒸汽流量計性能指標信息的采集，為了完成這一目標，結合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實現多路檢定，電路板使用信號放大器以及高位 A/D 轉換芯片來實現高分辨率的信號采集，同時利用光電隔離技術來提高抗干擾能力。總結起來，信號采集模塊要實現對多種信號的集成，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，通過編寫相應的數據處理程序，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，其主要任務在于完成電氣控制部分和上位機之間的通訊。通訊網絡采用無線網絡互聯通訊技術和 USB 通訊技術，實用無線互聯模塊，USB 通訊上使用專業芯片來構建 USB 通訊。
*后工作站及 P L C 的程序設計，P L C 程序設計按照選用的 PLC 所提供的程序設計軟件進行設計，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點內容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準，示值誤差、重復性、響應時間、漂移等的檢定。
3.3 研制裝置成效
根據上文的思路設計研制了一款過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置，經過后期的安裝調試后，確定其主要參數包括，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 22V/AC。適合 5 ～45 攝氏度環境。
按照這一裝置，選用多部過熱蒸汽流量計進行實驗檢定，并通過數據分析處理后得出如下結論，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，因此針對過熱蒸汽流量計進行檢定實驗，結果顯示，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。重復性測量誤差在 0.16 ～ 0.22% 之間。響應時間平均值在 16.37 ～ 28.84s 之間。
根據實驗結論來看，0.12% 的信息采集線性度誤差產生的原因可能是標準信號源不穩定，采樣環境本身線性度較差。但總體上來說對探測器檢定影響不大。根據檢定項目來看，實驗結果相對比較理想。
4 結語
綜上所述，對于過熱蒸汽流量計的計量標準檢定裝置的研制具有必要性，目前過熱蒸汽流量計的應用量大，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鍵，因此研制專門的計量檢定裝置具有顯著的現實意義，因此在本文當中探索了一種檢定裝置的研制開發思路，可能存在不足之處，但希望可以為過熱蒸汽流量計的檢定裝置的開發研究提供一定的參考思路。
1 引言
隨著儀表行業的擴張，過熱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，因此探索過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置的研制，具有非常顯著的現實意義。
2 研制內容思考
本課題的研究旨在為過熱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，重點就研制內容進行分析討論。因此基于過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置研制這一課題，試圖依托現行**標準，完成對過熱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原理、系統組成等進行多方面的設計論證，形成具體的計量檢定標準裝置研制的具體思路。
主要內容上，*先，考慮高分辨率，多路多信號的信號采集系統，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，實現對多個過熱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。使用信號放大器和高位 A/D 轉換芯片提高分辨率。
其次，自動電控系統裝置，為了保證裝置對過熱蒸汽流量計重復性、示值誤差、響應時間、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 為主控裝置來實現電控，依托P L C 程序來完成自動電控設計，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，并設計相應的驅動控制程序，實現自動化的檢定控制。
3 研制方案思考
3.1 裝置工作原理
根據作業環境氣體檢測報警儀通用技術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性、示值誤差、響應時間、漂移等，根據這些項目，結合上文內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，因此假設通過真空處理，來保證不同濃度氣體切換時濃度的穩定性，標準氣體在輸出過程當中要經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，在這個部分通過設計的程序來完成電氣控制與數據處理上的工作，實現自動化檢定。
3.2 研制裝置功能模塊
*先電氣控制模塊，主要任務是在 P L C 的控制下實現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過熱蒸汽流量計當中，實現自動控制、采集與計算。整個自動電控系統包括 P L C、電磁閥、標準氣體儲存瓶、氣壓表、穩壓器、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 根據上位機的控制指令來完成對電磁閥的驅動，并且要有自檢能力，同時要實現根據運算的結果，自動發出控制指令，完成控制過程，且要具備手動控制功能。
其次，信號采集模塊，主要任務是未來完成對過熱蒸汽流量計性能指標信息的采集，為了完成這一目標，結合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實現多路檢定，電路板使用信號放大器以及高位 A/D 轉換芯片來實現高分辨率的信號采集，同時利用光電隔離技術來提高抗干擾能力。總結起來，信號采集模塊要實現對多種信號的集成，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，通過編寫相應的數據處理程序，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，其主要任務在于完成電氣控制部分和上位機之間的通訊。通訊網絡采用無線網絡互聯通訊技術和 USB 通訊技術，實用無線互聯模塊，USB 通訊上使用專業芯片來構建 USB 通訊。
*后工作站及 P L C 的程序設計，P L C 程序設計按照選用的 PLC 所提供的程序設計軟件進行設計，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點內容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準，示值誤差、重復性、響應時間、漂移等的檢定。
3.3 研制裝置成效
根據上文的思路設計研制了一款過熱蒸汽流量計量檢定標準裝置，經過后期的安裝調試后，確定其主要參數包括，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 22V/AC。適合 5 ～45 攝氏度環境。
按照這一裝置，選用多部過熱蒸汽流量計進行實驗檢定，并通過數據分析處理后得出如下結論，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，因此針對過熱蒸汽流量計進行檢定實驗，結果顯示，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。重復性測量誤差在 0.16 ～ 0.22% 之間。響應時間平均值在 16.37 ～ 28.84s 之間。
根據實驗結論來看，0.12% 的信息采集線性度誤差產生的原因可能是標準信號源不穩定，采樣環境本身線性度較差。但總體上來說對探測器檢定影響不大。根據檢定項目來看，實驗結果相對比較理想。
4 結語
綜上所述，對于過熱蒸汽流量計的計量標準檢定裝置的研制具有必要性，目前過熱蒸汽流量計的應用量大，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鍵，因此研制專門的計量檢定裝置具有顯著的現實意義，因此在本文當中探索了一種檢定裝置的研制開發思路，可能存在不足之處，但希望可以為過熱蒸汽流量計的檢定裝置的開發研究提供一定的參考思路。