计数器在主动式体积管流量标准装置中的应用

杨松涛，于华伟，张永胜，王鹏

（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）

0 引言

主动式体积管流量标准装置是自身带有驱动装置，通过伺服电机带动活塞体积管向前驱动运转，从而产生稳定流量的一种流量标准装置。我所建成的主动式体积管燃油流量标准装置，流量范围为0.1～1000 L/min，相对扩展不确定度为0.05%（k=2）。在实际测量过程中，主动式体积管主要搭配光栅进行使用，采集系统通过定制的光栅卡进行数据锁存，记录开始采集命令和停止采集命令这段时间内光栅尺产生的脉冲数，进而计算出本次采集过程的流量值。本装置使用的是定制的光栅尺及光栅卡，在进行数据锁存的过程中光栅卡偶尔会发生硬件错误，导致无法锁存数据，造成软件采集计算结果错误。由于光栅尺本身会引入一定的不确定度，只有在流量达到一定值时，该不确定度才可以忽略不计，因此当使用微小流量进行计量时，电机需要运行较长时间才能满足装置的准确度等级，长时间的测量也就意味着光栅卡运行的时间较长，其无法进行数据锁存的可能性也更大，如果光栅卡出现无法进行数据锁存的情况，则当次流量点的检定需要重新进行，这会严重影响装置的运行效率。

本文针对现有光栅卡性能不稳定有时无法锁存数据的问题，根据光栅尺信号的特点，查询相关国家标准，提出了基于双计时法的使用计数器对光栅尺脉冲信号进行测量并进而计算流量的方法。针对现有的主动式体积管流量标准装置的流量范围，选择合适的流量点进行测试，将信号并联输出，分别接入到计数器和光栅卡内，通过对不同流量点进行测试，将两套数据采集系统采集的数据进行对比，证明了本文提出的基于双计时法的使用计数器对光栅尺脉冲信号进行测量并进而计算流量的方法的可行性。该采集方案能够替代原先的系统，有效解决定制光栅卡性能不稳定有时无法进行数据锁存的问题，提高了设备运行的可靠性。

1 装置简介

主动式体积管燃油流量标准装置主要由体积管、油缸、控制系统、采集系统、光栅尺、丝杠结构、回油泵、伺服电机和伺服驱动器、温度和压力变送器、计算机和显示器等部分组成，结构原理图如图1所示［1］。主动式体积管流量标准装置具有流量稳定性好、检定效率高、流量范围宽、运行成本低、易操作、易维护等优点。

图1 主动式体积管液体流量标准装置原理图

该装置通过控制伺服电机驱动丝杠向前运行提供稳定的流量，通过式（1）计算体积管运行的当前流量值。

式中：q为当前流量值；s为体积管截面积；L为光栅尺运行距离；t为体积管检定时间。

主动式体积管的标准流量值是将采集到的流量值根据体积管处的温度和压力值以及体积管性能参数依据规程进行修正得到的［2］。该装置的工作流程是：首先打开被校表前后的阀门1和阀门2，关闭阀门3，打开上位机软件设定运行流量，控制伺服电机进行推进，当流量计的示值稳定时，点击开始采集按钮，当达到规定的采样时间时，点击停止采集，比较标准器的流量值和被校流量计的示值，得到流量计的误差和不确定度［3］。定制的光栅卡偶尔发生无法锁存数据的情况，大大降低了整套装置的运行效率，因此需要提出一种新的光栅信号采集方案。

2 光栅信号的采集方案设计

2.1 光栅尺信号分析

光栅尺信号类型主要分为串行信号、方波信号以及正弦波信号［4］。串行信号指符合相关通讯协议的信号，光栅尺信号的传输主要通过串口通讯的方式进行，有较强的抗干扰能力；方波信号是信号输出为A+，A-，B+，B-的TTL方波信号，其中A+和A-为一对差分信号，B+和B-为另一对差分信号，A+和B+相对于零电势点为标准的TTL信号；正弦波信号也被称为 1-Vpp信号，通常其相位差为 90°［5］。

本套装置使用的海德汉光栅尺，型号规格为LS 106C，放大器型号为海德汉EXE 922，光栅尺输出的是正弦波信号，通过放大器放大处理后得到2路差分信号，分别为A+，A-，B+和B-，差分信号具有较强的抗干扰能力，同时还能够根据其判断光栅尺的运行方向。根据现有的光栅尺信号特点，每一路信号相对于零电势点都是一路TTL信号。如果单独取出一路A+信号，本文认为光栅尺在稳定运行的过程中，该A+信号相对于零电势点就是一路稳定脉冲输出的TTL信号［6］。

2.2 测量方法的设计

GB/T17286.3-2010/ISO 7278-3：1998《液态烃动态测量体积计量流量计检定系统第3部分：脉冲插入技术》中规定，计量校准过程中，测控系统测量的脉冲有一个最低的限制，即一般不小于10000个脉冲，但在实际检定过程中，有时装置在一个检定周期中所产生的脉冲数远远低于10000个，因此需要找到一种方法来处理脉冲以提高分辨力［7］，脉冲插入技术可以达到这个目的。脉冲插入技术目前有三种解决方案：双计时法、四倍计时法以及锁相环法。

根据装置的运行特点，使用双计时法进行光栅尺频率测量。开始触发后，在标准器产生第一个脉冲的上升沿的时刻，计数器开始计数且计时器开始计时，在发出停止命令后，标准器产生下一个脉冲的上升沿的时刻，计数器停止计数且计时器停止计时。可计算得到标准器在这段时间内的平均频率［8］。根据双计时法的原理，自制同步电路板，可准确地在发出开始和停止命令时形成一个门控电路，计数器可以准确获取脉冲计数n1，计时器测量这段脉冲所对应的时间为t1。双计时法测量原理如图2所示。

图2 双计时法测量原理

2.3 计数器选择

目前市场上的计数器多种多样，本文选择的计数器是研华科技ADAM4080模块，这款计数器的特征和计数指标为：

1）有两路 32位计数通道，最大计数值4294967295；

2）隔离电压为2500 VRMS；

3）提供TTL输入和光隔离输入两种信号接口方式；

4）每个通道都有一个gate门控信号，其有三种状态：high/low/disabled，门控信号（高或低）可以触发计数器开始或停止计时；

5）隔离输入：-逻辑0：最大+1 V，-逻辑1：+3.5～+30 V。

这款计数器易实现在组态软件下的编程和控制，通过对现有的软件进行较小改动即可实现这款计数器的数据采集和控制。

2.4 标准流量的计算方法

根据光栅尺的信号特点，通过式（2）计算得到时间t内装置运行的流量。

式中：l为光栅尺产生一个单端脉冲信号运动的距离；n为体积管测量的脉冲数。采集的流量值通过温度和压力修正后得到标准流量值［9］。

3 两套采集系统流量值的比较

3.1 实验方法

将光栅尺信号分为两路，一路继续接入原先的数据采集系统，另一路A+和0 V信号接入新的数据采集系统，将两套数据采集系统信号同时接入到工控机中，通过在原先程序中加入新配置的计数器和计时器，使用一个软件同时控制两套系统进行数据采集。

根据装置的特点，控制系统分别设定0.1，1，10，50，100，200，500 L/min的流量运行，分别计算两套数据采集系统测量的标准流量并进行分析［10］。

3.2 实验结果分析

每个点采集三次数据，并求出三次数据采集的平均值。使用光栅卡进行数据采集可以得到标准流量qv1，使用计数器进行光栅尺信号采集并计算标准流量可以得到qv2，由表1数据可知，本文研制的系统与原系统的标准流量采集误差小于0.005%，在标准流量计算的过程中，这个差异可以忽略不计。

表1 标准流量数据采集对比

4 实验结论

本文针对主动式体积管流量标准装置光栅尺信号的特点，提出了基于双计时法的使用计数器对光栅尺脉冲信号进行测量并进而计算流量的方法，通过设定运行不同的流量点进行对比实验，可以得出以下结论：

1）使用计数器和光栅卡进行标准流量信号采集的差异可以忽略不计，新的设计方案能够替代原先的数据采集系统进行采集；

2）光栅尺信号输出的双路差分信号能够判断光栅尺移动的方向，本文提出的方法牺牲了光栅尺方向判别的功能而解决了数据锁存问题，这个不足可以通过伺服电机的编码器信号进行弥补，可以通过伺服电机编码器信号判断设备运行的方向；

3）证明了计数器在主动式体积管流量标准装置中进行信号采集的可行性，该方法能够解决长期困扰主动式体积管流量标准装置的数据锁存问题，具有重要应用意义，同时也有助于提高设备的运行效率并提高经济效益。