水流量监测

10.4.1水流量标准装置微机监控系统

1、系统概述

各种流量测量仪表，尤其作为经济核算依据和量值传递的高精度的标准流量计，从研制到使用过程都需要利用流量标定检验装置进行检定。用于液体流量计的水流量仪表检定装置的结构如图10-1所示，该装置是采用的静态容积法进行流量计检定的。

图10-1 水流量仪表检定装置的结构示意图

检定过程如下：水泵将水抽到30m高的水塔，待水塔容器有溢流后开始检定，并且检定过程必须一直保证有溢流，以便产生稳定压力的流源。调节阀A与标准流量计A共同组成流量调节回路，在检定管线内调节出不同大小的流量值，本装置中流量值分别设定为被校表最大流量的20%、40%、60%、80%、100%。根据本次检点的流量值，选择不同容积大小的工作量器。待流量稳定后，由换向器将水流由非工作量器B（A）突然切换到工作量A（B）中，测出这段时间内工作量器A（B）中的水体积和时间T，可求得标准流量Q=V/T，将此值与被检表的实测值相比较，即可确定被检表在此流量值下的误差。每个流量值重复三次，五个流量值点共进行15次以上操作即可确定被检表的准确度等级。在本装置中，为保证水塔液面稳定，在上水系统中，由标准流量计B和分流调节阀B组成一个流量调节顺路，以保证每一次上水流量值略大于被检定点的流量值。此外为增加被检定流量计范围，系统加了一根Φ100的检定管线和2000L的工作量器，以检定大流量或大管径的流量计，其结构与Φ50检定管线相同（图略）。在手动操作上述检定过程中，每个环节都有可能引入误差，且效率低，劳动强度大，更重要的是由于时间长，会引起环境变化、仪器漂移等，很难保证条件不变。本装置采用工业PC进行监控后，上述各步骤自动进行，提高了效率，降低了对操作人员的要求，同时又提高了测量准确度，降低了人力和物力的消耗。此外，由于工控机的PID调节器作用，使得检定点的流量值稳态精度高，且调节方便。

2、系统硬件设计

（1）、水流量标准装置

本装置中各部分技术参数如下：

工作量器：共有A （500L ）、B （100L ）、C （2000L ）三种量器，准确度等级为0.1级。 液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器中水体积。差压变送器输出信号为4～20mA 。

计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms 级，由于在检定中已规定中的T>30s ，因此，计时器引入误差可以忽略。

检定管线：共有两条，Φ50mm 和Φ100mm ，Φ50mm 管线如图10-1所示。

电动调节阀：包括上水分流管线、二根检定管线，装置共有三个电动调节阀，控制信号为4～20mA 。

电磁气动阀：每个量器底部各1个，控制信号为交流220V 的开关信号。

电磁气动换向器：A 、B 两量器共用1个，C 量器使用1个，控制信号是交流220V 的开关信号。

开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光，回讯为直流12V 开关信号。 标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号为4～20mA 电流信号。

被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有0～10mA 、4～20mA 两种）、涡轮流量计（输出信号为脉冲信号）。

（2）、微机测控系统硬件结构

计算机采用PC 总线工控机，通过内置PC 总线的A/D 、D/A 、开关量输入DI 、开关量输出DO 、脉冲计数板组成一测控系统。IPC 除了完成检定过程的自动控制外，还能对检定结构的数据进行处理、打印、管理。其计算机控制系统的硬件结构是典型的DDC 系统。

模拟量A/D 、D/A 通道。本装置采用16位的A/D 与12位D/A ，完成对三路流量调节和工作量器液位、标准和被检定流量计的检测。为抑制共模干扰，A/D 采用差动式输入方式，且通过电容飞渡方法使IPC 与现场隔离。

开关量的DI 、DO 通道。现场开关量的回讯信号通过光电隔离进入IPC ，开关量输出信号通过7406直接驱动交流固态继电器来控制电磁气动阀的开关。

脉冲量计数通道。被检涡轮流量计输出的是脉冲信号，考虑被检表的新旧、厂家的不同，在波形上相差较大，因此，在基于8254构成的计数器电路板上，外加光电隔离和整形电路。

（3）高精度计时器

系统中换向器与计时必须严格同步，以测量一次检定所用的时间T ，对检定系统中计时有三个要求，首先计时要精确，且具有开始、停止计时和复位计时器的外控触点，而且能够与计算机相互通信。本装置对四种计时方案进行实验。

采用原有计时器

大多数检定系统中配备的老计时器都能满足计时器前两个要求，但一般不具备与计算机接口能力，这种方式可通过键盘将计时值输入IPC 。但缺点是把全自动检定变成了半自动方式。本装置中，把这种方式作为后备方案。

采用IPC 内部时钟

IPC 的ROM-BIOS 在开机时已对其内部定时器芯片8254进行了初始化，使8254通道0以系统时钟为基准每55ms 产生一个IRQ0硬件中断请求信号，于是定时器硬件中断INT0每秒中断18.2次。INT8的功能主要有二项：第一，对ROM-BIOS 数据区中的双字计数器（地/Q V T

址为0040：006C ）进行增1计数；第二，发出一条INT 1CH 软中断指令，INT 1CH 执行一条IRET 指令即返回。读出双字计数器前后两次内容，即可计算出时间。但存在的问题就是精度差，时基为55ms 。解决这个问题也很简单，可对定时器通道0重新进行初始化，如可设置系统时钟基准每隔1ms 产生一个INT8。该方案要求IPC 内产生时钟信号的晶振要比较准确，但在目前大部分IPC 或一般微机内晶振都无法满足精度要求。因此，此方案不适合高精度计时。

采用外加的8254组成的计时器

在IPC 内插入一块PC 总线计时/计数卡，卡的核心就是四片8254，8254的输入CLK 采用板内嵌入的独立时钟源，时钟频率为2MHz ，每片8254即可独立工作，又可级联起来。级联时大都采用工作方式2。时钟晶振经过标定后，误差为。本系统采用的是该方案。该计时器完全满足了检定装置要求，IPC 通过检测换向器光电开关状态，利用软件方法来启动、停止计数器。

3、系统软件设计

（1）数字滤波器

由于泵和水流动的影响，在测量工作量器的水液位时，信号存在周期性的波动，影响测量准确度。解决办法采用数字滤波器，设T 为A/D 的采样周期，T1为一阶惯性环节滤波器的时间常数，令，取，则数字滤波关系式为：

(10-1) 在式(10-1)中，y(k)为本次采样的输出值；y(k-1)为前一次输出值；x(k)为本次测量值。

（2）PID 控制算法

以Φ50mm 检定管线为例，首先采用飞升曲线测量出流量调节系统对象的传递函数： (10-2) 考虑本控制对象是一个大惯性、大滞后系统，为提高调节系统的快速性，采用积分分离的PID 算法，PID 参数整定采用目前应用较广泛的Ziegler Nichols 整定方法。由于在本系统中流量调节范围大，再加上电动调节阀死区大，固定PID 参数的控制方法很难在各个流量标定点上都获得很好的动态特性，因此在本文中根据被校流量值大小分成二类PID 参数进行控制，获得了较好的控制效果。

（3）程序设计

主要由人机交互界面程序、各种参数设置程序、各种图形图表动态显示程序、系统自检程序、自动检定程序、打印程序等共18个执行文件组成，所有可执行文件均是一屏幕三级下拉式汉化菜单的子进程，各子进程和菜单之间都是通过进程调用进行调度的。所有程序采用C 语言和汇编语言混合编程，实时性要求较高的如实时时钟、光标采用汇编语言编程，其余大部分采用C 语言编程。

该装置对Φ100mm 管径以下、流量在250m 3/h 以下的电磁涡轮流量计实现自动检定，检

定装置准确度等级为0.2级。此外，系统还可根据流量计检定规程要求，对检测出的数据进行处理。整个系统经现场安装调试，已投入运行多年，达到了预期工程设计要求。

0.5s μ1/T T β=1/(1)a β=+()(1)(1)()y k a y k ax k =--+5()4/(110)s G s e s -=+