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氣體流量計是較為常用的儀表設備。鐘罩式氣體流量標準裝置是以空氣作為介質，對氣體流量計進行檢定、校準和檢測的計量標準裝置。主要適用于速度式、容積式和差壓式等氣體流量計的檢定、校準和型式評價工作，也可用于氣體流量測量的研究工作。本文基于C8051F350單片機，改造現有的鐘罩裝置，設計一種氣體流量計檢測儀。
氣體流量計檢定技術概述
目前，氣體流量計的檢定方法廣義上可分為直接測量和間接測量兩種。
直接測量法的是用實際流體進行計量檢定，其具體定義為用標準裝置（標準流量計或計量器具）與被測流量計串聯，通過比較兩者測得流體的累積流量值，得出被測流量計測量誤差的方法。實流檢測法具有檢定環境與工況環境一致、流量值準確可靠和真實反映被測流量計計量特性的特點。實流檢測法又可分為離線實流檢測和在線實流檢測。離線實流檢測主要在實驗室進行，就是將被檢流量計與實驗室的流量標準裝置相串聯，在實驗室參比條件下測得流量計計量誤差，此方法可保證在實驗室條件下的計量準確，但忽視了其在工況條件下的計量特性。在線實流檢測則是將標準流量計安裝在被測流量計后方的預留檢定管路上，利用實際流體進行計量，現場在線檢測獲得實際工況誤差。
間接測量法是通過測量與流量值的相關的幾個物理量，通過對幾個相關物理量誤差的運算，間接地獲得被測流量計示值誤差的一種方法。
氣體流量計檢測儀原理
鐘罩裝置的工作原理
鐘罩式氣體流量標準裝置是氣體流量標準裝置主要形式之一。在壓力不高（一般小于10kPa）、流量不大的情況下，用它檢定流量計是比較簡便的。該裝置按氣流方向可分為排氣式和進氣式。其特點是：①它適合檢定壓力不高、流量不大的氣體流量計;②排氣式裝置中，流經被檢流量計的氣體壓力很低，接近于大氣壓，而且氣體濕度很高，對檢定的結果造成影響，因此必須有濕度修正;③進氣式裝置需要一個干燥和穩定的氣源，保證檢定用氣體的干度符合規定要求，并保證試驗管段的氣流壓力、溫度和流量恒定，這就使建立進氣式裝置比建立排氣式裝置困難;④由于鐘罩的內壓只決定于本身的重力、配重物的重力、液體浮力和補償機構的拉力，所以不管是排氣式還是進氣式，內壓是不變的。
鐘罩的標準體積是通過測量鐘罩的位移得到的，鐘罩位移的自動測量是該檢測儀（鐘罩裝置）的重要部分。光柵尺是高精度的位移測量元件，在精密儀器、高精度精密加工等領域得到了廣泛的應用，將光柵尺用于檢測儀，作為鐘罩量筒的位移傳感元件，能精確對應鐘罩的體積量。檢測儀的原理是當鐘罩下降時，鐘罩內氣體通過連接管路流經被檢流量計，在鐘罩下降同時通過光柵尺將鐘罩下降的高度轉變為脈沖信號，經硬件接口電路調理后傳送給計算機，計算機經過補償修正等運算處理，將其轉換成氣體標準體積或者體積流量。另外，標定后的檢測儀設有擋板和光電傳感器，鐘罩兩擋板之間的容積是固定的，擋板先后通過光電傳感器所經歷的時間可測得，也可得到排出氣體的標準體積或體積流量。將所測值與被檢流量計指示的體積或流量的比較，就可得到被檢流量計的基本誤差。
流量計算公式
在測量時間t內鐘罩排出的氣體體積為VS，則經過被校流量計的體積流量
式（1）中，PS、TS 、 ZS分別為鐘罩內的絕對壓力（Pa）、熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數; Pm、Tm、 Zm分別為流量計前的絕對壓力（Pa）、熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數; Vs為鐘罩排出的在PS、 TS 狀態下的氣體容積（m3）; Vm為鐘罩排出的在Pm、 Tm狀態下的氣體容積（m3）; t為測量時間（s）。
將 （qv）s與被校流量計的顯示值（qv）m比較，可計算出被校流量計示值相對誤差為：
對于速度式流量計，是通過鐘罩裝置排出的標準體積及被校流量計輸出的脈沖數來標定流量計的儀表系數。
氣體流量計檢測儀基本結構
氣體流量計檢測儀以C8051F350單片機為核心，監控所有被測量，其基本結構如圖1所示。
圖1 氣體流量計檢測儀結構圖
為了保證鐘罩內的氣溫和液槽內的液體溫度之差符合規定要求，應嚴格控制檢測儀的溫度，故設置了五個采溫點，另增加溫度濕度傳感器，監視現場檢定環境。檢測儀監測的所有信號如下：①鐘罩，五路溫度包括罩頂溫度、罩內上、中、下溫度、液溫;②被檢流量計，流量計檢定前溫度、壓力、差壓、模擬流量計信號;③環境，室溫、濕度;④脈沖信號，鐘罩光柵尺、擋板、限位、脈沖式流量計信號。
氣體流量計檢測儀硬件設計
氣體流量計檢測儀硬件部分由單片機、通訊、閥門控制和電壓轉換等電路構成，受計算機控制，完成各項檢定指令，并實現實時數據采集和高精度計時等功能。
C8051F350單片機簡介
檢測儀選用C8051F350單片機為控制核心，它是一款高集成度的混合信號片上系統型單片機，集成了PGA、ADC、DAC等豐富的片上資源，而且具有低功耗、高分辨率、小封裝、高性價比等優點，是高精準度測量應用的理想選擇。單片機信號的輸入與輸出如圖2所示。
C8051F350單片機的功能特性：①70%的指令的執行時間為1或2個系統時鐘周期，這樣在保證系統速度要求時，可以降低系統時鐘頻率，從而降低系統功耗;②PGA可以放大1~128倍，適用于小信號直接測量;③8通道24位ADC，其非線性可達0.0015%，保證系統的高精度;④8kB片內FLASH存儲器，保證足夠的代碼空間，可用于傳感器的線性矯正程序，而且可以將其中一個扇區（512字節）作為非易失型存儲器使用，存放系統標定參數;⑤高精度可編程的24.5MHz內部振蕩器，±2%的精度，可支持無晶體UART操作;⑥768字節內部RAM，可用于存放線性化運算時需要的大量數據;⑦可編程計數器/定時器陣列，可實現16位PWM，配合簡單外圍電路可實現D/A轉換;⑧32腳LQFP封裝，節省PCB面積，可用于小型化產品;⑨片內調試電路提供全速、非侵入式的在系統調試，保證開發簡便。
C8051F350芯片可外接的振蕩電路有四種，設計中選擇晶體作為外部振蕩源，為了便于波特率的設置，圖2中所示Y1取22.1184MHz。C8051F350芯片共有17個數字I/O端口，其中P2.0/C2D用作JTAG調試，余下16個端口在硬件連接和交叉開關配置后，引腳功能如下：P0.0光柵尺輸入脈沖計數;P0.2、P0.3連接外部晶振;P0.4、P0.5串口通訊;P0.6鐘罩擋板、限位信號（INT0中斷）;P0.7流量計脈沖信號（INT1中斷）;P1.0按鍵（上電復位）;P1.1、P1.2單片機讀擋板和限位信號;P1.4控制CD4053;P1.5~P1.7控制74HC595，P0.1、P1.3空余。
圖2 C8051F350單片機接口圖
檢測儀信號采集
壓力、溫度傳感器和一些氣體流量計輸出的流量信號是電流信號（4mA~20mA）。考慮到ADC輸入范圍，可選用100Ω的精密電阻將電流信號轉換為對應的0.4V~2V的電壓信號。
C8051F350單片機有8通道24位可編程AD轉換器，而檢測儀中待轉換的模擬量有16路，為了解決通道不足的問題，可使用雙向模擬開關CD4053。
設置ADC使用內部參考電壓，經過零點校準和斜率校準，使ADC在輸入4mA時輸出為初始值，輸入20mA時為滿量程值。讀取AD轉換結果的高16位送給計算機，計算機再根據每個變送器提供的線形內插表算出對應的數值。
氣體流量計信號調整電路
氣體流量計信號以脈沖方式輸出，輸出的一部分是標準脈沖信號（TTL電平），還有一部分是在3V~30V之間的高電平信號。因此，利用比較器設計一個輸入脈沖調整電路來簡化電路，調整電路可識別這兩部分脈沖信號，并將高電平的信號轉化為TTL電平。流量計信號調整電路如圖3，f2為流量脈沖的輸入。設置參考電壓V2，當輸入低于參考電壓時，輸出GND=0V;當輸入電壓高于參考電壓時，比較器輸出電壓Vcc=5V。比較器輸出的信號，經過光電隔離和功率放大，輸入到單片機P0.7引腳。
圖3 流量計信號調整電路圖
多路電磁閥控制電路
依據檢定規程和流量計量程，檢定時需設定多個檢定流量點。在0.5m3/h~128m3/h之間取10個流量檢定點，對應10只電磁閥來控制流量，定標時手動輸入所需流量值，計算機根據電磁閥對應的流量值，自動打開相應電磁閥或電磁閥組合。
檢測儀通過C8051F350單片機執行電磁閥的開閉動作、控制鼓風機，為了盡量少占用單片機的I/O口，引入74HC595芯片，如圖4所示，設計串行口多路氣閥控制電路。74HC595內含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三態輸出鎖存器。將第一個74HC595的Q7與第二個的SER相接，單片機只需控制第一個74HC595的SER、 SRCLK和RCLK三個引腳，就可使多路氣閥和風機等的開閉得到控制。
圖4 多路氣閥控制電路圖
氣體流量計檢測儀軟件設計
氣體流量計檢測儀軟件設計采用Delphi編程技術，處理下位機發送來的數據，得出檢定結果，并將檢定數據保存在SQL SERVER數據庫系統中。檢測儀系統的控制器部分負責采集數據和執行指令，而在計算機上完成檢定界面的設計、數據庫的設計和數據的處理。
控制器部分軟件設計
如圖5所示，控制器部分軟件設計包括A/D采樣模塊、通訊模塊、定時模塊和計數模塊設計。
圖5 控制器程序流程圖
（1）計數與計時
氣體流量計檢測儀采用中斷方式對鐘罩擋板脈沖、流量計輸出脈沖和光柵尺脈沖進行計數。同時，檢測儀要對標準時間計時，并且要產生1s中斷，以及在通訊時產生波特率。C8051F350單片機可滿足計數與計時要求，它擁有一個可編程計數器陣列（PCA），將PCA設置為對輸入脈沖計數，大部分情況下只需控制其啟動和停止，然后讀出計數值。T0用于被檢流量計脈沖信號計數;T1為串口通訊波特率發生器;T2用于標準時間計時和1s定時。
（2）通訊
C8051F350單片機與計算機通訊采用RS-232C串口，設定波特率115200bps。實際通訊時，計算機發出的有效指令編為一組代碼，單片機在執行命令后，返回的數據中包含與此次操作對應的另一組代碼。這樣，上位機與單片機程序可同時編寫，寫好后可以像拼圖一樣組合使用;而且數據格式被約定了，在上位機修改數據格式的代碼就可改變命令。
（3）檢定方式
由檢定人員將相關檢定參數設定在計算機上，通過串口發送給單片機，檢定流程如圖6所示。首先將鐘罩提升至指定位置，在設定檢定方式和參數后開始檢定。已實現的檢定方式有：①鐘罩定容方式：主要檢定脈沖量輸出流量計，標定流量計儀表系數;②流量計定容方式：主要檢定標準流量脈沖信號輸出流量計，采用流量比對方式，標定流量計相對誤差;③模擬量檢定方式：類似于方式①，采用擋板定容，由起始和終止擋板數控制流量計模擬量的采集并進行A/D轉換，1s采樣1次;④手動方式：類似于方式②，主要檢定人工讀數的流量計，由檢定人員控制計時和光柵尺脈沖計數的起始與結束。
在檢定各種流量計的過程中，單片機每隔1s采集壓力、溫度等傳感器數據，同時讀取鐘罩位移對應的光柵尺脈沖數和鐘罩經過的檔板個數，流量計輸出脈沖數等數據，發送至計算機進行顯示和流量值補償計算。當鐘罩降至底部時，停滯3s，再由計算機發送升鐘罩指令，提升鐘罩以便進行下一次檢定。
計算機部分軟件設計
計算機主要用于設置流量計檢定參數及分析計算檢定誤差和管理數據。
（1）計算機功能模塊
檢測儀采用Delphi程序設計開發用戶界面，采用SQL Server數據庫管理檢定數據，計算機各功能模塊包括系統參數設置、數據采集及處理、數據查詢、數據修改、檢定報表打印和檢定人員管理模塊。
（2）計算機數據處理
數據處理方式因檢定方式的不同而異，以檢定方式①為例，按以下公式計算流量計儀表系數和誤差，首先確定每個流量檢定點的儀表系數ki。
式中ki為第i流量檢定點的儀表系數，m-3; Nij為第i流量檢定點第j次檢定被檢流量計的累計脈沖數; Vij為第i流量檢定點第j次檢定鐘罩的體積量，即不同檢定點鐘罩的定容體積量，在檢定前輸入，m3; PS和Tm為檢定時間內鐘罩處和流量計的平均絕對壓力，Pa;TS和Tm為鐘罩處和流量計的平均溫度值，℃。可計算流量計的儀表系數k為：
流量計的線性度為
（5）
進而可以得出流量計的基本誤差為：
式中為鐘罩裝置的系統誤差，經計量部門檢定合格后確定。
軟件的設置
（1）設置權限
登錄軟件的人員分不同權限，最高權限為具有所有權限的系統管理員，可以通過管理員生成不同權限的操作員和調試員或其他自定義人員。操作員權限為檢測儀表、調用檢測記錄等，其權限由系統管理員指定;調試員權限為修改軟件內部設置、設置系統數據等。
（2）設置系統參數
完成組建系統后，必須設置一些相應系統參數以保證檢測儀正常工作和儀器較高的檢測精度，包括：
①鐘罩儀表系數：表示旋轉編碼器所發出的脈沖中每單個脈沖代表鐘罩排出氣體的體積。它是鐘罩固定參數，每年需校準一次。在檢測軟件中必須設置該系數，否則無法檢測被測流量計。
②流量計儀表系數：表示流量計所發出脈沖中每單個脈沖代表流過流量計氣體的體積，單位為升每個脈沖（L/N）。它在檢測之前輸入，也必須設置，可設置為流量計固定參數或可變參數。
③標況方的條件：它是氣體的標準狀態條件，即大氣壓力為101.325kPa、溫度為293.15K（20℃）。
④鐘罩提升到指定高度后的穩定時間：鐘罩提升后，在短時間內經歷上升、停止過程會產生顫動，通過設置穩定時間使鐘罩穩定下來，以減小系統誤差。該參數設置越大，鐘罩顫動越小，檢測效果越好，但也會降低檢測效率。
⑤鐘罩檢測下降開始階段穩定脈沖數：鐘罩下降階段經歷靜止、下降過程，在下降開始階段會產生顫動，通過設置鐘罩下降開始階段脈沖不計量，使鐘罩在這段不計量的過程中減小顫動，減小系統誤差。該參數設置越大，鐘罩顫動越小，檢測效果越好，但也會降低檢測效率。
⑥檢測完畢后下降脈沖個數：鐘罩在當次檢測完畢后，不能馬上停止鐘罩下降，必須先停止脈沖計數，再停止鐘罩。設置此參數，是為了滿足先停止脈沖計數，再停止鐘罩。該參數設置不應太大，保證檢測停止與鐘罩止降時間錯開即可。
3）設置檢定證書格式
包括設置紙張大小、字體大小、正文位置等。
結束語
氣體流量計在生產和生活中經常被用到，其準確性與整個生產和生活安全密切相關。面對日益增長的流量計檢定測試需求，提高檢測儀器的工作效率和準確度等級顯得十分重要。本文采用C8051F350單片機為控制核心，改進鐘罩裝置，加裝精密光柵尺作為鐘罩位移傳感元件，并增設多路傳感器，設計出氣體流量計檢測儀。該檢測儀通過單片機數據采集實現控制，提高了采集數據的可靠性和準確性;檢測儀組成簡單，維護方便;在檢定過程中，完全由檢測儀控制檢測過程和計算檢定結果，提高了檢測精度，具有普遍適用性。
