脉冲信号流量计仪表系数的两种实现方法

    一、脉冲信号流量计仪表系数K的定义

    流量计输出为脉冲信号时，该脉冲信号的频率f与流过管道的体积流量q_v成正比，其比例系数即为流量计的仪表系数K，即

      （1）

    在同一时间内，流量计发出的脉冲数N与流过管道的流体体积V成正比，其比例系数也为流量计的仪表系数K，即

      （2）

    在流量计的检定中，通常用流量计仪表系数K的误差来评价流量计的准确度等级。我所研制了主动式体积管油流量标准装置，用来完成各式流量计的检定/校准工作。该装置的测量原理图如图1所示。

图1 油流量标准装置测量原理图

    电机驱动油缸内活塞产生需要的平稳流量，流经被检流量计后回到油箱，流过被检流量计的流体体积q_v用活塞横截面积A乘以活塞移动距离l，l用光栅来测量。被检流量计的脉冲信号通过数据采集卡采集。

    二、脉冲信号流量计仪表系数K的测定原理

    相同时间t内，根据式（2）可得

       （3）

    式中：l———单位时间t内，流体流过的距离；l₁——光栅每个输出脉冲对应的距离；A——流体截面积；N₂——光栅输出脉冲数；N₁——流量计输出脉冲数。

    因为l₁、A是固定值，记，则

        （4）

    K系数的测定转化为同一时间内流量计脉冲数和光栅脉冲数的测定。

    另外，根据式（1）可得

       （5）

    式中：f₁——流量计的输出频率；f₂——光栅脉冲频率。

    因此，K系数的测定又转化为流量计输出频率f₁和光栅脉冲频率f₂的测量。

    三、仪表系数K的两种实现方法

    1.软件实现测量

    根据式（4），如图2所示，定时脉冲上升沿触发流量计脉冲和光栅脉冲开始计数，下降沿触发二者停止计数。该方法实现的系统环境为：带ISA插槽工控机，Windows98系统，VisualC++编程语言，中科院数据采集卡。实现K系数测量时，根据流量计准确度给出预计流量计脉冲数，工控机发出开始测量信号，同时读取流量计脉冲计数器和光栅脉冲计数器的读数，并且定时器清零，然后实时查询流量计脉冲计数器读数，待该计数器值大于或等于预计流量计脉冲数时，停止计数，同时记录光栅脉冲计数器值和定时器值。由实验得到，软件查询执行引起的误差可以忽略不计。由于这种方法是在同一时间内，直接测量流量计和光栅脉冲数，每次测量有一个脉冲的误差，所以，测量准确度和所计脉冲个数有关，如果计1000个脉冲，测量的相对误差为0.1%，记的脉冲个数越多，测量的准确度越高，相对应的测量时间就越长。显然，这种方法不能保证记录t时间内流量计脉冲和光栅脉冲的整数个脉冲。

图2 软件实现测量原理图

    以0.2级脉冲流量计为例，测量结果如表1所示（预计流量计脉冲数5000）。

表1 测量结果

    2.硬件实现双频计时

    根据式（5），流量计频率和光栅频率的测量不要求完全同步，即以牺牲同步获得频率测量的准确性。相对于流量计脉冲和光栅脉冲来说，计时脉冲是一个10MHz高频脉冲，保证测时准确度，用来分别测时T₁和T₂，测量误差为10^-7。计时脉冲1在启/停脉冲上升沿后，流量计脉冲的第一个上升沿触发，计时器脉冲2在启/停脉冲上升沿后，光栅脉冲的第一个上升沿触发，计时脉冲1在启/停脉冲下降沿后，流量计的第一个上升沿停止计时T₁，计时脉冲2在启/停脉冲下降沿后，光栅脉冲的第一个上升沿停止计时T₂。这样保证分别在T₁、T₂时间内，记录的流量计脉冲和光栅脉冲是完整个数，如图3所示。

图3 双频计时原理图1

    这种方法的优点是，当流量计输出频率很小时，可以在大于流量计脉冲周期的时间内，精确测量流量计脉冲频率和光栅脉冲频率。

    自动实现双计时法时，操作者通过计算机设置流量计脉冲数，通过流量计脉冲计数器溢出信号来停止测量。

    原理如图4所示。

图4 双频计时原理图2

    具体实现过程如下：

    （1）设定预计流量计脉冲数N，则N₁=N，流量计脉冲计数器设置减计数，光栅脉冲计数器设置增计数，初始值为1。

    （2）计算机发出启动控制信号，高电平。

    （3）流量计脉冲、光栅脉冲的第一个上升沿，计时脉冲1、计时脉冲2分别开始计时。

    （4）当N₁=0时，流量计脉冲计数器溢出标志输出信号，测量停止，计时脉冲1停止测量。

    （5）光栅脉冲计数器在溢出标志输出之后的下一个上升沿停止计数测量，同时计时器2停止计时。

    由于多个计数器计数，双频计时实现K系数测量时，预计流量计脉冲数不少于3个。以0.2级脉冲流量计为例，测量结果如表2所示（预计流量计脉冲数50）。

表2 测量结果