气体流量计是较为常用的外表设备。钟罩式气体流量规范设备是以空气作为介质，对气体流量计进行检定、校准和检测的计量规范设备。首要适用于速度式、容积式和差压式等气体流量计的检定、校准和型式点评作业，也可用于气体流量丈量的研究作业。本文依据C8051F350单片机，改造现有的钟罩设备，规划一种气体流量计检测仪。
气体流量计检定技能概述
现在，气体流量计的检定办法广义上可分为直接丈量和直接丈量两种。
直接丈量法的是用实践流体进行计量检定，其详细界说为用规范设备（规范流量计或计量用具）与被测流量计串联，经过比较两者测得流体的累积流量值，得出被测流量计丈量差错的办法。实流检测法具有检定环境与工况环境共同、流量值准确牢靠和实在反映被测流量计计量特性的特色。实流检测法又可分为离线实流检测和在线实流检测。离线实流检测首要在实验室进行，便是将被检流量计与实验室的流量规范设备相串联，在实验室参比条件下测得流量计计量差错，此办法可确保在实验室条件下的计量准确，但忽视了其在工况条件下的计量特性。在线实流检测则是将规范流量计设备在被测流量计后方的预留检定管路上，运用实践流体进行计量，现场在线检测取得实践工况差错。
直接丈量法是经过丈量与流量值的相关的几个物理量，经过对几个相关物理量差错的运算，直接地取得被测流量计示值差错的一种办法。
气体流量计检测仪原理
钟罩设备的作业原理
钟罩式气体流量规范设备是气体流量规范设备首要方法之一。在压力不高（一般小于10kPa）、流量不大的情况下，用它检定流量计是比较简洁的。该设备按气流方向可分为排气式和进气式。其特色是：①它合适检定压力不高、流量不大的气体流量计；②排气式设备中，流经被检流量计的气体压力很低，接近于大气压，并且气体湿度很高，对检定的成果形成影响，因而有必要有湿度批改；③进气式设备需求一个枯燥和安稳的气源，确保检定用气体的干度符合规定要求，并确保实验管段的气流压力、温度和流量安稳，这就使树立进气式设备比树立排气式设备困难；④因为钟罩的内压只决定于自身的重力、配重物的重力、液体浮力和补偿组织的拉力，所以不管是排气式仍是进气式，内压是不变的。
钟罩的规范体积是经过丈量钟罩的位移得到的，钟罩位移的主动丈量是该检测仪（钟罩设备）的重要部分。光栅尺是高精度的位移丈量元件，在精细仪器、高精度精细加工等范畴得到了广泛的运用，将光栅尺用于检测仪，作为钟罩量筒的位移传感元件，能准确对应钟罩的体积量。检测仪的原理是当钟罩下降时，钟罩内气体经过衔接管路流经被检流量计，在钟罩下降一起经过光栅尺将钟罩下降的高度转变为脉冲信号，经硬件接口电路调度后传送给核算机，核算机经过补偿批改等运算处理，将其转化成气体规范体积或许体积流量。别的，标定后的检测仪设有挡板和光电传感器，钟罩两挡板之间的容积是固定的，挡板先后经过光电传感器所阅历的时刻可测得，也可得到排出气体的规范体积或体积流量。将所测值与被检流量计指示的体积或流量的比较，就可得到被检流量计的根本差错。
流量核算公式
在丈量时刻t内钟罩排出的气体体积为VS，则经过被校流量计的体积流量
式(1)中，PS、TS 、 ZS分别为钟罩内的肯定压力(Pa)、热力学温度(K)和气体压缩系数； Pm、Tm、 Zm分别为流量计前的肯定压力(Pa)、热力学温度(K)和气体压缩系数； Vs为钟罩排出的在PS、 TS 状态下的气体容积(m3)； Vm为钟罩排出的在Pm、 Tm状态下的气体容积(m3)； t为丈量时刻(s)。
将 (qv)s与被校流量计的显现值(qv)m比较，可核算出被校流量计示值相对差错为：
关于速度式流量计，是经过钟罩设备排出的规范体积及被校流量计输出的脉冲数来标定流量计的外表系数。
气体流量计检测仪根本结构
气体流量计检测仪以C8051F350单片机为中心，监控一切被丈量，其根本结构如图1所示。
图1 气体流量计检测仪结构图
为了确保钟罩内的气温文液槽内的液体温度之差符合规定要求，应严格操控检测仪的温度，故设置了五个采温点，另添加温度湿度传感器，监督现场检定环境。检测仪监测的一切信号如下：①钟罩，五路温度包含罩顶温度、罩内上、中、下温度、液温；②被检流量计，流量计检定前温度、压力、差压、模仿流量计信号；③环境，室温、湿度；④脉冲信号，钟罩光栅尺、挡板、限位、脉冲式流量计信号。
气体流量计检测仪硬件规划
气体流量计检测仪硬件部分由单片机、通讯、阀门操控和电压转化等电路构成，受核算机操控，完结各项检定指令，并完结实时数据收集和高精度计时等功用。
C8051F350单片机简介
检测仪选用C8051F350单片机为操控中心，它是一款高集成度的混合信号片上体系型单片机，集成了PGA、ADC、DAC等丰厚的片上资源，并且具有低功耗、高分辨率、小封装、高性价比等长处，是高精准度丈量运用的抱负挑选。单片机信号的输入与输出如图2所示。
C8051F350单片机的功用特性：①70%的指令的履行时刻为1或2个体系时钟周期，这样在确保体系速度要求时，能够下降体系时钟频率，然后下降体系功耗；②PGA能够扩大1~128倍，适用于小信号直接丈量；③8通道24位ADC，其非线性可达0.0015%，确保体系的高精度；④8kB片内FLASH存储器，确保满意的代码空间，可用于传感器的线性纠正程序，并且能够将其间一个扇区(512字节)作为非易失型存储器运用，寄存体系标定参数；⑤高精度可编程的24.5MHz内部振动器，±2%的精度，可支撑无晶体UART操作；⑥768字节内部RAM，可用于寄存线性化运算时需求的很多数据；⑦可编程计数器/守时器阵列，可完结16位PWM，合作简略外围电路可完结D/A转化；⑧32脚LQFP封装，节约PCB面积，可用于小型化产品；⑨片内调试电路供给全速、非侵入式的在体系调试，确保开发简洁。
C8051F350芯片可外接的振动电路有四种，规划中挑选晶体作为外部振动源，为了便于波特率的设置，图2中所示Y1取22.1184MHz。C8051F350芯片共有17个数字I/O端口，其间P2.0/C2D用作JTAG调试，余下16个端口在硬件衔接和交叉开关装备后，引脚功用如下：P0.0光栅尺输入脉冲计数；P0.2、P0.3衔接外部晶振；P0.4、P0.5串口通讯；P0.6钟罩挡板、限位信号(INT0中止)；P0.7流量计脉冲信号(INT1中止)；P1.0按键(上电复位)；P1.1、P1.2单片机读挡板和限位信号；P1.4操控CD4053；P1.5~P1.7操控74HC595，P0.1、P1.3空余。
图2 C8051F350单片机接口图
检测仪信号收集
压力、温度传感器和一些气体流量计输出的流量信号是电流信号（4mA~20mA）。考虑到ADC输入规模，可选用100Ω的精细电阻将电流信号转化为对应的0.4V~2V的电压信号。
C8051F350单片机有8通道24位可编程AD转化器，而检测仪中待转化的模仿量有16路，为了处理通道缺乏的问题，可运用双向模仿开关CD4053。
设置ADC运用内部参阅电压，经过零点校准和斜率校准，使ADC在输入4mA时输出为初始值，输入20mA时为满量程值。读取AD转化成果的高16位送给核算机，核算机再依据每个变送器供给的线形内插表算出对应的数值。
气体流量计信号调整电路
气体流量计信号以脉冲方法输出，输出的一部分是规范脉冲信号(TTL电平)，还有一部分是在3V~30V之间的高电平信号。因而，运用比较器规划一个输入脉冲调整电路来简化电路，调整电路可辨认这两部分脉冲信号，并将高电平的信号转化为TTL电平。流量计信号调整电路如图3，f2为流量脉冲的输入。设置参阅电压V2，当输入低于参阅电压时，输出GND=0V；当输入电压高于参阅电压时，比较器输出电压Vcc=5V。比较器输出的信号，经过光电阻隔和功率扩大，输入到单片机P0.7引脚。
图3 流量计信号调整电路图
多路电磁阀操控电路
依据检定规程和流量计量程，检守时需设定多个检定流量点。在0.5m3/h~128m3/h之间取10个流量检定点，对应10只电磁阀来操控流量，定标时手动输入所需流量值，核算机依据电磁阀对应的流量值，主动翻开相应电磁阀或电磁阀组合。
检测仪经过C8051F350单片机履行电磁阀的开闭动作、操控鼓风机，为了尽量少占用单片机的I/O口，引进74HC595芯片，如图4所示，规划串行口多路气阀操控电路。74HC595内含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。将第一个74HC595的Q7与第二个的SER相接，单片机只需操控第一个74HC595的SER、 SRCLK和RCLK三个引脚，就可使多路气阀和风机等的开闭得到操控。
图4 多路气阀操控电路图
气体流量计检测仪软件规划
气体流量计检测仪软件规划选用Delphi编程技能，处理下位机发送来的数据，得出检定成果，并将检定数据保存在SQL SERVER数据库体系中。检测仪体系的操控器部分担任收集数据和履行指令，而在核算机上完结检定界面的规划、数据库的规划和数据的处理。
操控器部分软件规划
如图5所示，操控器部分软件规划包含A/D采样模块、通讯模块、守时模块和计数模块规划。
图5 操控器程序流程图
（1）计数与计时
气体流量计检测仪选用中止方法对钟罩挡板脉冲、流量计输出脉冲和光栅尺脉冲进行计数。一起，检测仪要对规范时刻计时，并且要发生1s中止，以及在通讯时发生波特率。C8051F350单片机可满意计数与计时要求，它具有一个可编程计数器阵列(PCA)，将PCA设置为对输入脉冲计数，大部分情况下只需操控其发动和中止，然后读出计数值。T0用于被检流量计脉冲信号计数；T1为串口通讯波特率发生器；T2用于规范时刻计时和1s守时。
（2）通讯
C8051F350单片机与核算机通讯选用RS-232C串口，设定波特率115200bps。实践通讯时，核算机宣布的有用指令编为一组代码，单片机在履行指令后，回来的数据中包含与此次操作对应的另一组代码。这样，上位机与单片机程序可一起编写，写好后能够像拼图相同组合运用；并且数据格局被约好了，在上位机修正数据格局的代码就可改动指令。
（3）检定方法
由检定人员将相关检定参数设定在核算机上，经过串口发送给单片机，检定流程如图6所示。首要将钟罩进步至指定方位，在设定检定方法和参数后开端检定。已完结的检定方法有：①钟罩定容方法：首要检定脉冲量输出流量计，标定流量计外表系数；②流量计定容方法：首要检定规范流量脉冲信号输出流量计，选用流量比对方法，标定流量计相对差错；③模仿量检定方法：类似于方法①，选用挡板定容，由开端和中止挡板数操控流量计模仿量的收集并进行A/D转化，1s采样1次；④手动方法：类似于方法②，首要检定人工读数的流量计，由检定人员操控计时和光栅尺脉冲计数的开端与结束。
在检定各种流量计的进程中，单片机每隔1s收集压力、温度等传感器数据，一起读取钟罩位移对应的光栅尺脉冲数和钟罩经过的档板个数，流量计输出脉冲数等数据，发送至核算机进行显现和流量值补偿核算。当钟罩降至底部时，阻滞3s，再由核算机发送升钟罩指令，进步钟罩以便进行下一次检定。
核算机部分软件规划
核算机首要用于设置流量计检定参数及剖析核算检定差错和办理数据。
（1）核算机功用模块
检测仪选用Delphi程序规划开发用户界面，选用SQL Server数据库办理检定数据，核算机各功用模块包含体系参数设置、数据收集及处理、数据查询、数据修正、检定报表打印和检定人员办理模块。
（2）核算机数据处理
数据处理方法因检定方法的不同而异，以检定方法①为例，按以下公式核算流量计外表系数和差错，首要确认每个流量检定点的外表系数ki。
式中ki为第i流量检定点的外表系数，m-3； Nij为第i流量检定点第j次检定被检流量计的累计脉冲数； Vij为第i流量检定点第j次检定钟罩的体积量，即不同检定点钟罩的定容体积量，在检定前输入，m3； PS和Tm为检守时刻内钟罩处和流量计的均匀肯定压力，Pa；TS和Tm为钟罩处和流量计的均匀温度值，℃。可核算流量计的外表系数k为：
流量计的线性度为
(5)
从而能够得出流量计的根本差错为：
式中为钟罩设备的体系差错，经计量部分检定合格后确认。
软件的设置
（1）设置权限
登录软件的人员分不同权限，最高权限为具有一切权限的体系办理员，能够经过办理员生成不同权限的操作员和调试员或其他自界说人员。操作员权限为检测外表、调用检测记载等，其权限由体系办理员指定；调试员权限为修正软件内部设置、设置体系数据等。
（2）设置体系参数
完结组成体系后，有必要设置一些相应体系参数以确保检测仪正常作业和仪器较高的检测精度，包含：
①钟罩外表系数：表明旋转编码器所宣布的脉冲中每单个脉冲代表钟罩排出气体的体积。它是钟罩固定参数，每年需校准一次。在检测软件中有必要设置该系数，不然无法检测被测流量计。
②流量计外表系数：表明流量计所宣布脉冲中每单个脉冲代表流过流量计气体的体积，单位为升每个脉冲(L/N)。它在检测之前输入，也有必要设置，可设置为流量计固定参数或可变参数。
③标况方的条件：它是气体的规范状态条件，即大气压力为101.325kPa、温度为293.15K(20℃)。
④钟罩进步到指定高度后的安稳时刻：钟罩进步后，在短时刻内阅历上升、中止进程会发生颤抖，经过设置安稳时刻使钟罩安稳下来，以减小体系差错。该参数设置越大，钟罩颤抖越小，检测作用越好，但也会下降检测功率。
⑤钟罩检测下降开端阶段安稳脉冲数：钟罩下降阶段阅历中止、下降进程，在下降开端阶段会发生颤抖，经过设置钟罩下降开端阶段脉冲不计量，使钟罩在这段不计量的进程中减小颤抖，减小体系差错。该参数设置越大，钟罩颤抖越小，检测作用越好，但也会下降检测功率。
⑥检测结束后下降脉冲个数：钟罩在当次检测结束后，不能立刻中止钟罩下降，有必要先中止脉冲计数，再中止钟罩。设置此参数，是为了满意先中止脉冲计数，再中止钟罩。该参数设置不该太大，确保检测中止与钟罩止降时刻错开即可。
3）设置检定证书格局
包含设置纸张巨细、字体巨细、正文方位等。
结束语
气体流量计在出产和日子中经常被用到，其准确性与整个出产和日子安全密切相关。面临日益增长的流量计检定测验需求，进步检测仪器的作业功率和准确度等级显得十分重要。本文选用C8051F350单片机为操控中心，改善钟罩设备，加装精细光栅尺作为钟罩位移传感元件，并增设多路传感器，规划出气体流量计检测仪。该检测仪经过单片机数据收集完结操控，进步了收集数据的牢靠性和准确性；检测仪组成简略，保护便利；在检定进程中，完全由检测仪操控检测进程和核算检定成果，进步了检测精度，具有遍及适用性。
