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關(guān)于過熱蒸汽流量計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)裝置研制的探討
點(diǎn)擊次數(shù)：2246 發(fā)布時間：2021-01-07 15:17:53
【摘要】本文依托當(dāng)前過熱蒸汽流量計(jì)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(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置用于高效地進(jìn)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(kuò)張，過熱蒸汽流量計(jì)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(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)檢定儀器，因此探索過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制，具有非常顯著的現(xiàn)實(shí)意義。
2 研制內(nèi)容思考
本課題的研究旨在為過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)就研制內(nèi)容進(jìn)行分析討論。因此基于過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置研制這一課題，試圖依托現(xiàn)行**標(biāo)準(zhǔn)，完成對過熱蒸汽流量計(jì)性能指標(biāo)的測試工作，對計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)組成等進(jìn)行多方面的設(shè)計(jì)論證，形成具體的計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對多個過熱蒸汽流量計(jì)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(jì)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，為了保證裝置對過熱蒸汽流量計(jì)重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等檢定指標(biāo)的檢定，需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓、流量、氣路通斷、實(shí)時工況的自動操控，因此考慮以 PLC 為主控裝置來實(shí)現(xiàn)電控，依托P L C 程序來完成自動電控設(shè)計(jì)，硬件裝置上配置工作站，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相應(yīng)的驅(qū)動控制程序，實(shí)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(bào)警儀通用技術(shù)要求對計(jì)量部分的檢定要求來看，既定裝置的檢定項(xiàng)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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓和流量，高壓氣瓶輸出標(biāo)準(zhǔn)氣體到傳感器，為了保證標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體在輸出過程當(dāng)中要經(jīng)過減壓限流裝置控制標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，上位機(jī)部分則包括 PLC 和工作站，在這個部分通過設(shè)計(jì)的程序來完成電氣控制與數(shù)據(jù)處理上的工作，實(shí)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(shí)現(xiàn)對減壓限流裝置的自動控制，以此來保證輸出標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓、流量，確保標(biāo)準(zhǔn)氣體有效地融入被檢定的過熱蒸汽流量計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)自動控制、采集與計(jì)算。整個自動電控系統(tǒng)包括 P L C、電磁閥、標(biāo)準(zhǔn)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(jì)、控制電路等組成。程序方面要求 OLC 根據(jù)上位機(jī)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(shí)現(xiàn)根據(jù)運(yùn)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)是未來完成對過熱蒸汽流量計(jì)性能指標(biāo)信息的采集，為了完成這一目標(biāo)，結(jié)合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)來進(jìn)行信息采集與處理并通過總線方式來上傳到主板單片機(jī)。單片機(jī)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(jī)。主板單片機(jī)通過必要電路與上位機(jī)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(jī)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(shí)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(jì)，P L C 程序設(shè)計(jì)按照選用的 PLC 所提供的程序設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點(diǎn)內(nèi)容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準(zhǔn)，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(jì)研制了一款過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電壓范圍 0 ～ 5V，分辨率 0.001V，測試標(biāo)準(zhǔn)電流范圍 4 ～ 20 毫安，分辨率 0.01 毫安，測試標(biāo)準(zhǔn)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，選用多部過熱蒸汽流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確度，因此針對過熱蒸汽流量計(jì)進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，被實(shí)驗(yàn)對象探測器零點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比較理想。
4 結(jié)語
綜上所述，對于過熱蒸汽流量計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的研制具有必要性，目前過熱蒸汽流量計(jì)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(jì)量檢定裝置具有顯著的現(xiàn)實(shí)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，但希望可以為過熱蒸汽流量計(jì)的檢定裝置的開發(fā)研究提供一定的參考思路。
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1 引言
隨著儀表行業(yè)的擴(kuò)張，過熱蒸汽流量計(jì)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(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)檢定儀器，因此探索過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制，具有非常顯著的現(xiàn)實(shí)意義。
2 研制內(nèi)容思考
本課題的研究旨在為過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)就研制內(nèi)容進(jìn)行分析討論。因此基于過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置研制這一課題，試圖依托現(xiàn)行**標(biāo)準(zhǔn)，完成對過熱蒸汽流量計(jì)性能指標(biāo)的測試工作，對計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)原理、系統(tǒng)組成等進(jìn)行多方面的設(shè)計(jì)論證，形成具體的計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對多個過熱蒸汽流量計(jì)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(jì)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，為了保證裝置對過熱蒸汽流量計(jì)重復(fù)性、示值誤差、響應(yīng)時間、漂移等檢定指標(biāo)的檢定，需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓、流量、氣路通斷、實(shí)時工況的自動操控，因此考慮以 PLC 為主控裝置來實(shí)現(xiàn)電控，依托P L C 程序來完成自動電控設(shè)計(jì)，硬件裝置上配置工作站，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相應(yīng)的驅(qū)動控制程序，實(shí)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(bào)警儀通用技術(shù)要求對計(jì)量部分的檢定要求來看，既定裝置的檢定項(xiàng)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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓和流量，高壓氣瓶輸出標(biāo)準(zhǔn)氣體到傳感器，為了保證標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體在輸出過程當(dāng)中要經(jīng)過減壓限流裝置控制標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，上位機(jī)部分則包括 PLC 和工作站，在這個部分通過設(shè)計(jì)的程序來完成電氣控制與數(shù)據(jù)處理上的工作，實(shí)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(shí)現(xiàn)對減壓限流裝置的自動控制，以此來保證輸出標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣壓、流量，確保標(biāo)準(zhǔn)氣體有效地融入被檢定的過熱蒸汽流量計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)自動控制、采集與計(jì)算。整個自動電控系統(tǒng)包括 P L C、電磁閥、標(biāo)準(zhǔn)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(jì)、控制電路等組成。程序方面要求 OLC 根據(jù)上位機(jī)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(shí)現(xiàn)根據(jù)運(yùn)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)是未來完成對過熱蒸汽流量計(jì)性能指標(biāo)信息的采集，為了完成這一目標(biāo)，結(jié)合上文的分析來說，采用 SPI 總線通訊，實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)來進(jìn)行信息采集與處理并通過總線方式來上傳到主板單片機(jī)。單片機(jī)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(jī)。主板單片機(jī)通過必要電路與上位機(jī)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(jī)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(shí)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(jì)，P L C 程序設(shè)計(jì)按照選用的 PLC 所提供的程序設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求滿足上文提出的控制要求。工作站方面是重點(diǎn)內(nèi)容，要求包括用戶管理，閥門切換，儀器校準(zhǔn)，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(jì)研制了一款過熱蒸汽流量計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電壓范圍 0 ～ 5V，分辨率 0.001V，測試標(biāo)準(zhǔn)電流范圍 4 ～ 20 毫安，分辨率 0.01 毫安，測試標(biāo)準(zhǔn)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，選用多部過熱蒸汽流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確度，因此針對過熱蒸汽流量計(jì)進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，被實(shí)驗(yàn)對象探測器零點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比較理想。
4 結(jié)語
綜上所述，對于過熱蒸汽流量計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的研制具有必要性，目前過熱蒸汽流量計(jì)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(jì)量檢定裝置具有顯著的現(xiàn)實(shí)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，但希望可以為過熱蒸汽流量計(jì)的檢定裝置的開發(fā)研究提供一定的參考思路。
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