气体流量计是一种常用的仪表设备。 钟罩式气体流量标准装置是以空气为介质，对气体流量计进行检定、校准和检测的计量标准装置。 主要适用于速度式、容积式、差压式气体流量计的检定、校准和型式评定，也可用于气体流量测量的研究。 本文以单片机为基础，对现有的钟罩装置进行改造，设计了一种气体流量计检测器。

气体流量计校准技术概述

目前，气体流量计的校准方法大致可分为直接测量和间接测量两种。

直接测量法使用实际流体进行测量验证。 其具体定义是用标准装置（标准流量计或测量仪表）与被测流量计串联。 通过比较两者之间被测流体的累计流量值，得到被测流量值。 流量计测量误差方法。 真实流量检测方法具有校准环境与工作环境一致、流量值准确可靠、真实反映被测流量计测量特性的特点。 真实流量检测方法可分为离线真实流量检测和在线真实流量检测。 离线实流量测试主要在实验室进行，即将被测流量计与实验室的流量标准装置串联，在实验室参考条件下测量流量计的测量误差。 该方法可以保证流量计在实验室条件下进行测量。 测量是准确的，但忽略了其工作条件下的测量特性。 在线实流量检测是将标准流量计安装在被测流量计后面预留的校准管道上，使用实际流体进行测量，通过现场在线测试获得实际工况误差。

间接测量法是通过测量与流量值相关的几个物理量，并计算几个相关物理量的误差，间接获得被测流量计的示值误差的方法。

气体流量计检测仪原理

响铃机构的工作原理

钟罩式气体流量标准装置是气体流量标准装置的主要形式之一。 当压力不高（一般小于10kPa）、流量不大时，用它来标定流量计比较简单。 该装置按气流方向可分为排气式和进气式。 其特点是：①适用于校准低压、小流量的气体流量计； ②排气式装置中，流经被测流量计的气体压力很低，接近大气压，而气体湿度很高，这会影响标定结果，因此需要进行湿度校正； ③进气装置需要干燥、稳定的气源，保证标定气体的干燥度满足规定要求，并保证测试管段的气流压力、温度和流量恒定。 这使得构建进气型装置比排气型装置更困难； ④ 由于钟罩内部压力仅由钟罩自身重力、配重重力、液体浮力、补偿机构拉力决定，因此无论是排气式装置，仍然进气式，内部压力不变。

通过测量钟罩的位移得到钟罩的标准体积。 钟罩位移的自动测量是探测器（钟罩装置）的重要组成部分。 光栅尺是一种**位移测量元件。 已**应用于精密仪器、**精密加工等领域。 光栅尺用于探测器中，作为钟罩量筒的位移传感元件，能准确对应钟罩。 体积量。 检测仪的原理是当钟罩下降时，钟罩内的气体通过连接管流过流量计进行测试。 当钟罩下降时，钟罩的下降高度通过光栅尺转换为脉冲信号，由硬件接口电路调节。 然后送至计算机，计算机通过补偿、修正将其转换为气体标准体积或体积流量。 此外，校准探测器还配有挡板和光电传感器。 钟罩两挡板之间的容积是固定的。 可以测量挡板通过光电传感器所需的时间，也可以得到废气的标准体积。 或体积流量。 通过将测量值与被测流量计指示的体积或流量进行比较，即可得出被测流量计的基本误差。

流量计算公式

测量时间t内钟罩排出的气体体积为VS，则通过被标定流量计的体积流量

式(1)中PS、TS、ZS分别为钟罩内的**压力(Pa)、热力学温度(K)和气体压缩系数； Pm、Tm、Zm分别为流量计前面的**压力（Pa）和气体压缩系数。 热力学温度（K）和气体压缩系数； Vs为钟罩在PS和TS状态下排出的气体体积（m3）； Vm为Pm、Tm状态下钟罩排出的气体体积（m3）； t 是测量时间（s）。

将(qv)s与被检流量计显示值(qv)m进行比较，可计算出被检流量计显示值的相对误差为：

对于速度流量计，流量计的仪表系数是根据钟罩装置排出的标准体积和被校准流量计输出的脉冲数来校准的。

气体流量计检测器的基本结构

气体流量计检测仪以单片机为核心，对所有测量进行监控。 其基本结构如图1所示。

图1 气体流量计检测器结构图

为了保证钟罩内空气温度与液罐内液体温度之差符合规定要求，应严格控制检测仪的温度，因此设置了5个温度采样点，并设置了1个温度采样点。并增加湿度传感器，监控现场标定环境。 探测器监测到的所有信号如下： ①钟罩，五路温度包括钟罩顶部温度、钟罩内上、中、下温度、液体温度； ②被测流量计、流量计标定前的温度、压力、差压、模拟流量计信号； ③环境，室温、湿度； ④脉冲信号、钟形光栅尺、挡板、限位器、脉冲流量计信号。

气体流量计检测器硬件设计

气体流量计检测器的硬件部分由单片机、通讯、阀门控制和电压转换电路组成。 由计算机控制完成各种标定指令，实现实时数据采集、**计时等功能。

微控制器简介

该探测器采用单片机作为控制核心。 它是一款高度集成的混合信号片上系统微控制器，集成了PGA、ADC、DAC等丰富的片上资源。 它还具有低功耗、高分辨率、小封装和高性价比等优势，是**测量应用的理想选择。 单片机信号的输入和输出如图2所示。

单片机的功能特点：①70%指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，这样在保证系统速度要求的情况下，可以降低系统时钟频率，从而降低系统功耗； ② PGA可放大1~128倍，适用于小信号的直接测量； ③ 8通道24位ADC，其非线性可达0.0015%，保证系统的**； ④ 8kB片内FLASH存储器，保证足够的代码空间，可用于传感器的线性校正程序，并且可以将一个扇区（512字节）用作非易失性存储器，用于存储系统标定参数； ⑤ **可编程24.5MHz内部振荡器，精度±2%，支持无晶UART操作； ⑥768字节内部RAM可用于存储线性化运算所需的大量数据； ⑦可编程计数器/定时器阵列，可实现16位PWM，并可通过简单的外围电路实现D/A转换； ⑧32引脚LQFP封装，节省PCB面积，可用于小型化产品； ⑨ 片上调试电路提供全速、非侵入式在系统调试，确保轻松开发。

芯片外部可连接的振荡电路有四种类型。 设计中选用晶体作为外部振荡源。 为了方便波特率的设置，图2所示的Y1设置为22。芯片共有17个数字I/O口，其中P2.0/C2D用于JTAG调试。 硬件连接和纵横开关配置后，其余16个端口的引脚功能如下： P0.0 光栅尺输入脉冲计数； P0。 2、P0.3连接外部晶振； P0.4、P0.5串口通讯； P0.6 响铃屏蔽，限位信号（INT0中断）； P0.7 流量计脉冲信号（INT1中断）； P1.0按钮（上电复位）； P1.1、P1.2单片机读取挡板和限位信号； P1.4控制； P1.5~P1.7控制，P0.1、P1.3自由。

图2 单片机接口图

探测器信号采集

压力、温度传感器和部分气体流量计输出的流量信号为电流信号（4mA~20mA）。 考虑到ADC输入范围，可以使用100Ω精密电阻将电流信号转换为相应的0.4V~2V电压信号。

微控制器具有8通道24位可编程AD转换器，检测器中有16个需要转换的模拟量。 为了解决通道不足的问题，可以采用双向模拟开关。

设置ADC使用内部参考电压，经过零点校准和斜率校准后，输入4mA时ADC输出为初始值，输入20mA时输出为满量程值。 读取AD转换结果的高位16位并发送给计算机，计算机根据各发送器提供的线性插值表计算出相应的值。

气体流量计信号调理电路

气体流量计信号以脉冲方式输出。 输出一部分是标准脉冲信号（TTL电平），另一部分是3V~30V之间的高电平信号。 因此，采用比较器设计输入脉冲调整电路，以简化电路。 调整电路可以识别这两部分脉冲信号，并将高电平信号转换为TTL电平。 流量计信号调节电路如图3所示，f2为流量脉冲的输入端。 设置参考电压V2。 当输入低于参考电压时，输出GND=0V； 当输入电压高于参考电压时，比较器输出电压Vcc=5V。 比较器输出的信号经过光电隔离和功率放大后输入到单片机的P0.7引脚。

图3 流量计信号调节电路图

多路电磁阀控制电路

根据标定程序和流量测量程序，标定时需要设置多个标定流量点。 在0.5m3/h~128m3/h之间取10个流量标定点，对应10个电磁阀控制流量。 标定时手动输入所需的流量值，电脑会根据电磁阀对应的流量值自动打开相应的电磁阀。 阀或电磁阀组合。

检测器执行电磁阀的开启和关闭动作，并通过单片机控制鼓风机。 为了尽可能少地占用单片机的I/O端口，引入了芯片。 如图4所示，设计了一种串口多路风阀控制电路。 包含8位串行输入、串行/并行输出移位寄存器和8位三态输出锁存器。 将**个 Q7 连接到第二个 SER。 单片机只需控制SER、SRCLK、RCLK前三个引脚即可控制多路风阀、风扇的开闭。

图4 多路风阀控制电路图

气体流量计检测仪软件设计

气体流量计检测器的软件设计采用编程技术处理下位机发送来的数据，得到标定结果，并将标定数据保存在SQL数据库系统中。 探测器系统的控制器部分负责采集数据和执行指令，并在计算机上完成标定界面的设计、数据库设计和数据处理。

控制器软件设计

如图5所示，控制器软件设计部分包括A/D采样模块、通信模块、定时模块和计数模块的设计。

图5 控制器程序流程图

(一)计数与计时

气体流量计检测器采用中断方式对钟罩脉冲、流量计输出脉冲和光栅尺脉冲进行计数。 同时探测器必须按标准时间计时，产生1s中断，并在通信时产生波特率。 该单片机可以满足计数和计时的要求。 它有一个可编程计数器阵列（PCA）。 PCA 设置为对输入脉冲进行计数。 大多数情况下，只需控制其启停，然后读出计数值即可。 T0用于被测流量计的脉冲信号计数； T1为串行通信波特率发生器； T2用于标准时间计时和1s计时。

(2) 沟通

单片机与计算机之间的通信采用RS-232C串口来设置波特率。 在实际通信过程中，计算机发出的有效指令被编译成一组代码。 单片机执行完命令后，返回的数据中包含了与本次操作对应的另一组代码。 这样就可以同时编写上位机和单片机的程序，写完之后可以像拼图一样组合起来使用； 并且数据格式已经约定，可以通过修改上位机中的数据格式代码来改变命令。

(3)验证方法

校准人员在电脑上设置相关校准参数，并通过串口发送至单片机。 校准流程如图6所示。首先将钟罩提升到指定位置，设置好验证方法和参数后开始验证。 已实现的标定方法有：①钟罩体积常数法：主要标定脉冲体积输出流量计，标定流量计仪表系数； ②流量计定容法：主要校准标准流量脉冲信号输出流量计，采用流量比较法，校准流量计的相对误差； ③模拟量标定法：与方法①类似，利用挡板确定体积，通过起止挡板编号控制流量计模拟量的采集并进行A/D转换，每秒采样一次； ④手动模式：与模式②类似，主要以手动读数方式校准流量计，由校准人员控制计时和光栅尺脉冲计数的开始和结束。

在标定各种流量计的过程中，单片机每1秒采集一次压力、温度等传感器数据，同时读取钟罩位移对应的光栅尺脉冲数、挡板数通过钟罩、流量计输出的脉冲数等数据送至计算机进行显示和流量值补偿计算。 当钟罩下降到底部时，暂停3秒，然后计算机发送钟罩升起命令，升起钟罩进行下一次测试。

计算机软件设计

计算机主要用于设置流量计标定参数、分析计算标定误差和管理数据。

(1)计算机功能模块

探测器采用程序设计开发用户界面，并使用SQL数据库管理校准数据。 计算机的功能模块包括系统参数设置、数据采集与处理、数据查询、数据修改、校准报告打印和校准人员管理模块。

(2)计算机数据处理

数据处理方法因校准方法而异。 以校准方法①为例，按下式计算流量计仪表系数和误差。 首先确定各流量标定点的仪表系数ki。

式中，ki为第i个流量标定点的仪表系数，m-3； Nij为被测流量计在第i个流量标定点进行第j次标定的累积脉冲数； Vij为第i个流量标定点的第j个标定钟的体积，即标定前输入的钟罩在不同标定点的恒定体积，m3； PS和Tm为标定时间内钟罩和流量计处的平均**压力，Pa； TS和Tm分别为钟罩和流量计的平均温度值，℃。 流量计的仪表系数k可计算为：

流量计的线性度为

(5)

由此可以得出流量计的基本误差为：

式中 为钟装置的系统误差，经计量部门检定合格后确定。

软件设置

(1)设置权限

登录软件的人有不同的权限。 **权限为系统管理员，拥有所有权限。 可以通过管理员生成不同权限的操作员、调试员或其他定制人员。 操作员的权限是检测仪器、通话检测记录等，其权限由系统管理员指定； 调试器的权限是修改软件内部设置、设置系统数据等。

(2) 设置系统参数

系统搭建完成后，必须设置一些相应的系统参数，以保证检测仪的正常工作和仪器的高检测精度，包括：

① 钟表系数：表示旋转编码器发出的脉冲中的每个单脉冲代表钟表排出的气体体积。 它是钟的固定参数，需要每年校准一次。 该系数必须在检测软件中设置，否则无法检测到被测流量计。

②流量计仪表系数：表示流量计发出的脉冲中的每个单个脉冲代表流过流量计的气体体积，单位为升每脉冲（L/N）。 它是在检测之前输入的，并且也必须设置。 可设置为流量计的固定参数或可变参数。

③标准条件：气体的标准状态条件，即大气压为101，温度为293.15K（20℃）。

④ 钟罩升到规定高度后的稳定时间：钟罩升起后，短时间内在上升和停止过程中会产生振动。 通过设置稳定时间可以使钟罩稳定，减少系统误差。 参数设置越大，振铃振动越小，检测效果越好，但也会降低检测效率。

⑤ 钟体下降检测开始时的稳定脉冲数：钟体下降阶段经历一个静止下降过程，在下降开始时会产生振动。 通过设置在钟下降开始时不测量脉冲，在此期间将不会测量钟。 减少抖动并减少系统错误。 参数设置越大，振铃振动越小，检测效果越好，但也会降低检测效率。

⑥测试完成后下降脉冲数：测试完成后不能立即停止响铃。 必须先停止脉冲计数，然后停止响铃。 设置该参数是为了满足先停止脉冲计数再停止响铃的要求。 该参数设置不宜过大，保证检测停止时间和铃停止下降时间错开即可。

3）设置校准证书格式

包括设置纸张大小、字体大小、文字位置等。

结论

气体流量计在生产和生活中经常被使用，其准确度与整个生产和生活的安全密切相关。 面对日益增长的流量计校准和测试需求，提高测试仪器的工作效率和准确水平显得尤为重要。 本文以单片机为控制核心，改进钟罩装置，增加精密光栅尺作为钟罩位移传感元件，并增加多个传感器，设计了一种气体流量计检测器。 通过单片机数据采集控制探测器，提高了采集数据的可靠性和准确性； 探测器组成简单，易于维护； 标定过程中，检测仪完全控制检测过程并计算标定结果，提高了检测精度，具有普遍适用性。