基于钟罩式气体计量器的煤气表检定仪的设计

［摘 要］介绍了用光电编码器、DSl302 日历芯片、单片机、LED显示器作为检测、计时、控制、显示等器件，实现钟罩式气体计量器自动控制。并且用来检定煤气表，记录煤气表的瞬时流量、累积流量和基本误差，最后自动打印上述各项检定参数。 钟罩式气体计量器是标定气体流量仪表的标准装置，以钟罩内有效容积作为标准体积，当钟罩下降时，排出钟罩内的气体经测试管道通往被枪表，比较钟罩内排出的气体与被检表指示的气体体积，求取仪表的精度。它主要用于检定：①煤气表；②涡轮流量计；③罗茨流量仪表；④小型孔板、喷嘴；⑤涡街流量计；⑥其它形式的流量仪表。钟罩式气体计量器主要有三种工作形式：（1）手动检测、直渎式；（2）半自动检测（配有流量积算仪）；（3）全自动检测（计算机控制）完成对整个检测过程的自动控制。本文将详细介绍半自动检测（配有流量积算仪）的实现方法。它采用单片机进行检测和控制，脉冲数据采集选用高精度、高可靠性的光电双向编码器，来实现对钟罩的自动控制，并且以检定煤气表为例说明设计过程。 1 工作原理及实现方法 1.1 工作原理 煤气表白动检定仪有：单片机、DS1302日历芯片、LED显示器件、微型打印机、电源等组成。原理见图1。 1.2 实现方法 （1）钟罩自动控制的实现原理 ①根据表1输入理论仪表系数。 ②根据钟罩式气体计量器检定证书的实际高度所对应的标准容积值，测出提升脉冲数。 ③实际测量仪表系数K 式中：Q为标准容积；K为实际仪表系数；f为标准容积所对应的脉冲数。根据公式计算得出所需要的标准容积。 （2）煤气表自动检定实现原理 ①确定检定点数 在煤气表整个流量范围内的7个流量点中至少选择3点，每点至少检定2次，其误差的均值为基本误差。 ②煤气表的误差公式和压差修正公式 2 硬件配置 2.1 光电双向编码器 光电双向编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成电脉冲信号的传感器。 光电双向编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理框图如图2。通过脉冲数量就可以计算出钟罩上升或下降的高度，进而就可以计算出标准气体的容积。 为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号和零位信号。 三个通道输出信号A、B、Z。顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B波形90°；逆时针旋转时，通道A输出波形迟通道B波形90°；光电双向编码器每旋转一圈，输出一个基准脉冲。 2.2 检测、控制、驱动电路设计 （1）检测电路 检测原理如图3。 R1、R2、R3、R4、R5、R6、C1、C2、C3、C4及IC1：40106史密特触发器组成了输入脉冲信号检测、整形电路，保证光电编码器的脉冲信号准确无误地到控制电路来。 IC2：4013双D触发器、IC3：2输入端4与非门、电阻R7、R8组成了鉴相电路，以判断光电编码器的正反方向。 光电编码器正向旋转： A相超前B相90°，IC2：1的2端输出高电平，1端输出低电平，IC3：1与非门打开、IC3：2与非门关闭，进行加计数。 光电编码器反向旋转： B相超前A相90°，IC2：1的2端输出低电平，1端输出高电平，IC3：1与非门关闭、1C3：2与非门打开，进行减计数。 （2）控制电路 控制电路原理如图4。 ICl：AT89C51是美国爱特梅尔公司的八位单片机，并且带2k程序存储器，起到核心控制作用。C3、R4组成单片机上电复位电路。 IC4：24C16美国爱特梅尔公司16k位串行CMOS E2PROM，内部含有2048个8位字节，有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有专门的写保护功能。它与电阻R9、R10组成了数据存储电路，用来存储设定值。 IC2：DS1302是美国DALLAS公司生产的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片。可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，采用三线接口与CPU进行通信。与电阻R1、R2、R3、C1、C2、XTAl组成了计时电路，准确地记录钟罩的工作时间。 IC3：MAX813具有电源监控电路的微处理芯片，它不仅能对电源电压实现监控，而且内部还有看门狗定时电路。与K5、D1一起构成了看门狗定时电路，正常情况下由CPU不断向MAX813写入数据，一旦程序跑飞，MAX813即向CPU发出复位脉冲，重新引导程序运行。 K1、K2、K3、K4、R11、R12、R13、R14组成了键盘电路，用来进行给定参数的设置。 （3）输出驱动电路 输出驱动电路原理如图5。 R1、R2、ICl、IC2、Dl、D2、BGl、BG2、继电器1、继电器2组成了输出驱动电路，用来驱动钟罩上升和下降的电磁阀。 2.3 显示电路 显示电路采用CD4515四位锁存/4-16译码器、CD4511 BCD-锁存/7段译码/驱动器和LED七段发光二极管显示器组成。 2.4 微型打印机配置 微型打印机采用MP-40-8+针式，每行24点、每行字符6×8点阵40个、速度04行／s、57× 45普通纸。全部字符集16×16点阵、12×12点阵国标一、二级汉字库。2k数据缓冲区，与单片机串行通信。打印格式见如图6。 3 软件设计 3.1 基本运算关系 单片机采集由光电双向编码器来的脉冲信号，进行累积流量、瞬时流量计算，自动控制各个检定点。 基本运算公式如下： 3.2 程序框图 主程序框图见图7。 4 结束语 钟罩式气体计量器的煤气表检定仪，利用光电编码器的频率信号实现钟罩高度的测量，通过频率、仪表系数的关系，达到测量气体体积的目的。采用最先进的单片机作为数据采集、实现控制，提高了采集数据的可靠性和准确性，通过在实际工业检定中使用有效地提高了检定精度和准确性。