脉冲式输出流量计的信号测量
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《 冶金 自动化》０４ ２０ 年增刊
脉冲式输出流量计的信号测量
王文海， 陈伟杰
（ 浙江大学 控制科学与工程学系， 杭州 ３００） 浙江 １０７
［ 要］ 摘 随着脉冲式输出流量计的市场应用在不断发展， 能准确测量这种流量计的信号就显得尤为重要。本文分析了脉
冲信号特点， 提出了新的瞬时流量和累积流量测量方法， 解决了测量精度低的难题， 并在流量积算仪中得到成功应用， 产 生了实际应用价值。 〔 关键词〕 流量计； 频率； 瞬时流量； 累积
时使用单片机的两个定时器， 一个定时， 另一个计数。计数器由外部信号控制启动， 且与待测脉冲信号同 步， 这样就消除了图 ２ ｔ的影响。如图３ 当定时时间ｔ 中 ， 中， 到了之后，Ｐ Ｃ Ｕ采样到最后一个脉冲后， 此
时 计数值为ｎｎ ，个脉冲的 时间为ｔ这样就消除了图２ ： 影响， ‘ ， 中ｔ的 用计数值ｎ 计时值ｔ 除以 ’ 即可得到
量较准， 瞬时流量不准。
这些问题的产生是由于测量方法的局限性所造成。 作者通过几年来对流量积算仪的研究开发， 对于 这种流量计信号的测量方法具有深刻体会， 不仅解决了以上问题， 而且在产品中得到了成功应用。本文 将针对瞬时流量和累积流量的测量方法作一介绍。
瞬时流ｆ测Ａ
瞬时流量正比于流量计输出的脉冲频率， 方程为： Ｆ＝ｋ ｆ Ｘ （） １
ｆ ｎｔ ＝ ／ ＇ ， （） ３
式中，为时间间隔。 ’ ｔ 该方法同普通测频法的最大区别就是频率计算公式中的分母不同。式（） 分母 ｔ ２中， 是不变的， 而式 （） ３中的ｔ ＇ 是可变的。 如图３ 所示。 单片机系统的软件可控性［， ３ 使消除计数误差， 变得很简单， ］ Ａ ｎ 计数
式中，， Ｆ 为体积流量，３ ； 为流量计仪表系数， ｍ ； 为流量计输出频率， ｚ ｍ／ ｋ ｈ １ ３ ／ ｆ Ｈ， 用户接人流量计信号， 设定相应的仪表系数， 流量积算仪只要正确测量脉冲频率， １１ 按式 ． 及有关补 偿公式进行处理， 就可以获得准确的流量值。因此问题的关键就是如何准确测量流量计输出的脉冲频
０ 引言 流量计的分类方法很多［２按照信号的输出类型划分， １１ ＾， － 可分为模拟量输出流量计和脉冲式输出流百度文库量计。脉冲式输出流量计包括： 容积式流量计、 涡轮流量计、 涡街流量计、 插人式流量计等， 这些流量计输
出的是脉冲信号， 一个脉冲代表一定体积的流量。这几年， 随着工业生产的发展， 流量计的应用需求在不 断的增加， 尤其是脉冲式输出流量计得到了空前的发展和应用。 目 市场上流量积算仪（ 前， 也称流量显示仪） 种类繁多， 生产的厂家也有很多， 但是它们针对脉冲式输 出流量计（ 以下简称流量计） 的脉冲信号测量都不尽如人意， 有些瞬时流量较准， 累积量不准， 而有些累积
等
〔 考 文 献〕 参
５１ ２
率。
１１ 脉冲信号特点 ． 在提出频率测量方法之前， 首先了解流量计信号的特点： ・频率低脉冲频率一般在 １ ｋ ｚ ０ 以内， Ｈ 如涡街流量计输出频率为０ －ｋ ｚ容积式流量计更小， ＾５ ， Ｈ 一
般只有几百 Ｈ ， ｚ甚至几十 Ｈ ， ｚ ・不均匀脉冲分布不均匀。例如容积式流量计， 它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单 个已知的体积部分， 并附加发信装置输出脉冲信号， 在这样的一个转动周期内， 脉冲的分布不均匀。如图
Ｍ＝ Ｌ ｆ ｔ Ｆｄ ‘ （） ４
（） ５ Ｍ＝ ， Ｎ ｋＸ习 ｐ 式中， Ｍ为流量累积，３ ｍ ；， ｋ为脉冲当量，， 为脉冲数。 Ｍ／； Ｐ凡
单片机的计数器就可以采用测量频率时候的计数器， 不需要另外占用资源， 只要定时的将计数值通 过式（） ５运算后累加到总累积上即可。软件中累积流量是以Ｂ Ｄ码格式存储， Ｃ 做累加的时候也采用 Ｂ Ｄ Ｃ
「 收稿日 ２０－ ２ ９ 〔 期〕０４ ０－１； 修改稿收到日 ２０－ ３ ０ 期］０４ ０－ ３ ［ 作者简介」 王文海（９７ ， 浙江杭州人， １６－）男， 副教授， 主要从事自 动化检测、 信号处理、 控制及其仪表等方面的研究工作。
５９ １
（ 冶金 自动化》０４ ２０ 年增刊
图 １ 脉冲分布示意图
积算仪， 该积算仪已经在市场上得到广泛应用， 收到了良好的经济效益。
石油化工自 动控制设计手册［ ． Ｍ］北京： 化学工业出版社， ０．９１４ ２ ０６－２． ０ 黄步余 ， ， ［〕 １ 陆德明， 张振基， 等 乐嘉华 ， ． 过程检测技术及仪表［ ． Ｍ］北京： 化学工业出版社，９９６－ ３ １９．６ ０． １ ［〕 ２ 杜 维， 张宏建， ＭＣ － １ Ｍ］北京： 北京航空航天大学出版社，９８１６１１ １８．６－７． ［〕 ３ 孙涵芳， 徐爱卿． Ｓ ５ 系列单片机原理及应用「 ． ［ 编辉： 耿秀梅〕
５０ ２
《 冶金 自动化》０４ ２０ 年增刊
码累加运算， 这样计算速度快， 也方便仪表显示。在一定时间内对脉冲数的累积误差小于等于士１ 个脉
冲， 累积流量的误差也就控制在很小的范围内， 而且误差不会累积。
３ 应用效果
以上介绍的方法， 不需要专用的测频电路， 简化了该仪表的硬件结构， 同时仪表性能得到改善， 测频 更快速、 更准确， 而且累积精度高。作者正是基于这种方法， 已经在浙大中自 公司成功开发出高精度流量
ｆ ／ ＝ｎｔ ｔ （） ２ 式中， 为脉冲频率；为脉冲个数；为时间间隔。 ． ｆ ｎ ｔ 按照普通测频法的原理， 会有计数误差 △ ＝士１如图 ２ ｎ ， 所示。 造成计数误差 △ ＝士１ ｎ 的原因如下： 第一， 定时器启动后， 没有遇上待测脉冲的下降沿， 而要等 ｔ时间后才开始计数； ｉ 第二， 定时器时间到， 不在待测脉冲的末尾， 而提前了ｔ时间。 ２ 为消除ｐ 的误差， ｎ 采用了新的测频方法， 新的测频法计算公式：
被测频率值［。 ３ 这种测量方式的误差（０１０ ］ ． 。对定时时间ｔ ０ 的选取为小于 １ ， ： 这样保证对频率信号的 响应时间小于 １ 。 ：
图 ２ 普通测频法
图 ３ 新的测频法
２ 累积测ｆ法
流量累积就是在一定时间内测得的流量总和， 公式为： 式中， 为流量累积， ＇Ｆ为瞬时流量， ３ｈ Ｍ ｍ ； ｔ ｍ ／ｏ 瞬时流量 Ｆ 按前面提到的测量方法和式（） １计算获得， 然后经过积分运算就得到了累积流量。这是 比较常用的累积测量法， 不需要设置累积的仪表系数， 方法简单。但是这种方法有其缺陷， 由于测量瞬时 流量会有误差， 作积分运算的时候， 同时会把误差累积上去， 造成累积值的偏差不断扩大。 作者采用新的累积测量法， 通过测量脉冲数来获得累积流量， 即：
１ 所示。 在一个周期 Ｔ内， 前半个周期脉冲分布密集， 后半个周期分布稀疏， 但是每个周期脉冲数是一样
的。
１２ 频率测ｆ方法 ． 通常频率测量方法有两种： 测周法和测频法。作者针对流量计的信号特性， 在普通测频法的基础上， 提出了一种新的频率测量方法。 测频法就是在一定的时间间隔内， 对输人的周期信号脉冲计数， 则信号的频率为：
脉冲式输出流量计的信号测量
王文海， 陈伟杰
（ 浙江大学 控制科学与工程学系， 杭州 ３００） 浙江 １０７
［ 要］ 摘 随着脉冲式输出流量计的市场应用在不断发展， 能准确测量这种流量计的信号就显得尤为重要。本文分析了脉
冲信号特点， 提出了新的瞬时流量和累积流量测量方法， 解决了测量精度低的难题， 并在流量积算仪中得到成功应用， 产 生了实际应用价值。 〔 关键词〕 流量计； 频率； 瞬时流量； 累积
时使用单片机的两个定时器， 一个定时， 另一个计数。计数器由外部信号控制启动， 且与待测脉冲信号同 步， 这样就消除了图 ２ ｔ的影响。如图３ 当定时时间ｔ 中 ， 中， 到了之后，Ｐ Ｃ Ｕ采样到最后一个脉冲后， 此
时 计数值为ｎｎ ，个脉冲的 时间为ｔ这样就消除了图２ ： 影响， ‘ ， 中ｔ的 用计数值ｎ 计时值ｔ 除以 ’ 即可得到
量较准， 瞬时流量不准。
这些问题的产生是由于测量方法的局限性所造成。 作者通过几年来对流量积算仪的研究开发， 对于 这种流量计信号的测量方法具有深刻体会， 不仅解决了以上问题， 而且在产品中得到了成功应用。本文 将针对瞬时流量和累积流量的测量方法作一介绍。
瞬时流ｆ测Ａ
瞬时流量正比于流量计输出的脉冲频率， 方程为： Ｆ＝ｋ ｆ Ｘ （） １
ｆ ｎｔ ＝ ／ ＇ ， （） ３
式中，为时间间隔。 ’ ｔ 该方法同普通测频法的最大区别就是频率计算公式中的分母不同。式（） 分母 ｔ ２中， 是不变的， 而式 （） ３中的ｔ ＇ 是可变的。 如图３ 所示。 单片机系统的软件可控性［， ３ 使消除计数误差， 变得很简单， ］ Ａ ｎ 计数
式中，， Ｆ 为体积流量，３ ； 为流量计仪表系数， ｍ ； 为流量计输出频率， ｚ ｍ／ ｋ ｈ １ ３ ／ ｆ Ｈ， 用户接人流量计信号， 设定相应的仪表系数， 流量积算仪只要正确测量脉冲频率， １１ 按式 ． 及有关补 偿公式进行处理， 就可以获得准确的流量值。因此问题的关键就是如何准确测量流量计输出的脉冲频
０ 引言 流量计的分类方法很多［２按照信号的输出类型划分， １１ ＾， － 可分为模拟量输出流量计和脉冲式输出流百度文库量计。脉冲式输出流量计包括： 容积式流量计、 涡轮流量计、 涡街流量计、 插人式流量计等， 这些流量计输
出的是脉冲信号， 一个脉冲代表一定体积的流量。这几年， 随着工业生产的发展， 流量计的应用需求在不 断的增加， 尤其是脉冲式输出流量计得到了空前的发展和应用。 目 市场上流量积算仪（ 前， 也称流量显示仪） 种类繁多， 生产的厂家也有很多， 但是它们针对脉冲式输 出流量计（ 以下简称流量计） 的脉冲信号测量都不尽如人意， 有些瞬时流量较准， 累积量不准， 而有些累积
等
〔 考 文 献〕 参
５１ ２
率。
１１ 脉冲信号特点 ． 在提出频率测量方法之前， 首先了解流量计信号的特点： ・频率低脉冲频率一般在 １ ｋ ｚ ０ 以内， Ｈ 如涡街流量计输出频率为０ －ｋ ｚ容积式流量计更小， ＾５ ， Ｈ 一
般只有几百 Ｈ ， ｚ甚至几十 Ｈ ， ｚ ・不均匀脉冲分布不均匀。例如容积式流量计， 它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单 个已知的体积部分， 并附加发信装置输出脉冲信号， 在这样的一个转动周期内， 脉冲的分布不均匀。如图
Ｍ＝ Ｌ ｆ ｔ Ｆｄ ‘ （） ４
（） ５ Ｍ＝ ， Ｎ ｋＸ习 ｐ 式中， Ｍ为流量累积，３ ｍ ；， ｋ为脉冲当量，， 为脉冲数。 Ｍ／； Ｐ凡
单片机的计数器就可以采用测量频率时候的计数器， 不需要另外占用资源， 只要定时的将计数值通 过式（） ５运算后累加到总累积上即可。软件中累积流量是以Ｂ Ｄ码格式存储， Ｃ 做累加的时候也采用 Ｂ Ｄ Ｃ
「 收稿日 ２０－ ２ ９ 〔 期〕０４ ０－１； 修改稿收到日 ２０－ ３ ０ 期］０４ ０－ ３ ［ 作者简介」 王文海（９７ ， 浙江杭州人， １６－）男， 副教授， 主要从事自 动化检测、 信号处理、 控制及其仪表等方面的研究工作。
５９ １
（ 冶金 自动化》０４ ２０ 年增刊
图 １ 脉冲分布示意图
积算仪， 该积算仪已经在市场上得到广泛应用， 收到了良好的经济效益。
石油化工自 动控制设计手册［ ． Ｍ］北京： 化学工业出版社， ０．９１４ ２ ０６－２． ０ 黄步余 ， ， ［〕 １ 陆德明， 张振基， 等 乐嘉华 ， ． 过程检测技术及仪表［ ． Ｍ］北京： 化学工业出版社，９９６－ ３ １９．６ ０． １ ［〕 ２ 杜 维， 张宏建， ＭＣ － １ Ｍ］北京： 北京航空航天大学出版社，９８１６１１ １８．６－７． ［〕 ３ 孙涵芳， 徐爱卿． Ｓ ５ 系列单片机原理及应用「 ． ［ 编辉： 耿秀梅〕
５０ ２
《 冶金 自动化》０４ ２０ 年增刊
码累加运算， 这样计算速度快， 也方便仪表显示。在一定时间内对脉冲数的累积误差小于等于士１ 个脉
冲， 累积流量的误差也就控制在很小的范围内， 而且误差不会累积。
３ 应用效果
以上介绍的方法， 不需要专用的测频电路， 简化了该仪表的硬件结构， 同时仪表性能得到改善， 测频 更快速、 更准确， 而且累积精度高。作者正是基于这种方法， 已经在浙大中自 公司成功开发出高精度流量
ｆ ／ ＝ｎｔ ｔ （） ２ 式中， 为脉冲频率；为脉冲个数；为时间间隔。 ． ｆ ｎ ｔ 按照普通测频法的原理， 会有计数误差 △ ＝士１如图 ２ ｎ ， 所示。 造成计数误差 △ ＝士１ ｎ 的原因如下： 第一， 定时器启动后， 没有遇上待测脉冲的下降沿， 而要等 ｔ时间后才开始计数； ｉ 第二， 定时器时间到， 不在待测脉冲的末尾， 而提前了ｔ时间。 ２ 为消除ｐ 的误差， ｎ 采用了新的测频方法， 新的测频法计算公式：
被测频率值［。 ３ 这种测量方式的误差（０１０ ］ ． 。对定时时间ｔ ０ 的选取为小于 １ ， ： 这样保证对频率信号的 响应时间小于 １ 。 ：
图 ２ 普通测频法
图 ３ 新的测频法
２ 累积测ｆ法
流量累积就是在一定时间内测得的流量总和， 公式为： 式中， 为流量累积， ＇Ｆ为瞬时流量， ３ｈ Ｍ ｍ ； ｔ ｍ ／ｏ 瞬时流量 Ｆ 按前面提到的测量方法和式（） １计算获得， 然后经过积分运算就得到了累积流量。这是 比较常用的累积测量法， 不需要设置累积的仪表系数， 方法简单。但是这种方法有其缺陷， 由于测量瞬时 流量会有误差， 作积分运算的时候， 同时会把误差累积上去， 造成累积值的偏差不断扩大。 作者采用新的累积测量法， 通过测量脉冲数来获得累积流量， 即：
１ 所示。 在一个周期 Ｔ内， 前半个周期脉冲分布密集， 后半个周期分布稀疏， 但是每个周期脉冲数是一样
的。
１２ 频率测ｆ方法 ． 通常频率测量方法有两种： 测周法和测频法。作者针对流量计的信号特性， 在普通测频法的基础上， 提出了一种新的频率测量方法。 测频法就是在一定的时间间隔内， 对输人的周期信号脉冲计数， 则信号的频率为：