钟罩式气体流量标准装置温度检测系统设计

热工参数检测课程设计

题 目 气体流量标准装置温度检测系统设计 学生姓名 指导教师

学 院 能源科学与工程学院 专业班级 热动0904 学 号

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摘 要：........................................................................................................................................... 3 第一章 钟罩式气体流量标准装置 ................................................................................................. 4

1.1流量和气体连续性方程 ..................................................................................................... 4

1.1.1流量的概念 .............................................................................................................. 4 1.1.2气体连续性方程 ...................................................................................................... 4 1.2钟罩式气体流量标准装置结构形式 ................................................................................. 5 1.3 钟罩式气体流量标准装置工作原理 ................................................................................ 6 1.4 钟罩式气体流量标准装置的压力补偿 ............................................................................ 7 1.5钟罩式气体流量标准装置系统 ......................................................................................... 8

1.5.1钟罩式气体流量标准装置系统整体结构 .............................................................. 8 1.5.2钟罩式气体流量标准装置系统原理 .................................................................... 10

第二章 温度检测系统设计 ........................................................................................................... 11

2.1 方案论证.......................................................................................................................... 11 2.2 传感器.............................................................................................................................. 12 2.3 热电阻的接线方式 .......................................................................................................... 12 第三章 数据采集系统 ................................................................................................................... 15

3.1温度变送器 ....................................................................................................................... 15

3.11温度变送器的用途和分类 ..................................................................................... 15 3.1.2温度变送器的基本原理和技术参数 .................................................................... 15 3.1.3温度变送器的选用 ................................................................................................ 15 3.2数据采集........................................................................................................................... 15

3.2.1 PT100采集模块 ..................................................................................................... 15 3.2.2多功能的数据采集卡 ............................................................................................ 16 3.2.3PCI-1710HG数据采集卡的特点 ............................................................................ 16 3.2.4PCI-1710多功能数据采集卡的功能 ..................................................................... 17 3.3信号传输........................................................................................................................... 18 第四章 系统组态 ........................................................................................................................... 19

4.1 组态软件的发展现状 ...................................................................................................... 19

4.1.1 国外组态软件 ....................................................................................................... 19 4.1.2 国内组态软件 ....................................................................................................... 20 4.2 组态软件的选择 .............................................................................................................. 20 4.3 检定软件流程 .................................................................................................................. 21 4.3 主程序.............................................................................................................................. 21 4.4. 运行策略......................................................................................................................... 24 4.5 设备驱动.......................................................................................................................... 25 参考文献......................................................................................................................................... 26 致谢 ................................................................................................................................................ 27

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摘 要：

通过分析钟罩式气体流量标准装置的工作原理、结构形式，建立了气体流量计校准、检定工作的数学模型，研究了流量计校准、检定不确定度和误差源，然后设计了钟罩式气体流量标准装置自动控制系统的总体方案；根据系统对标准容积、压力、温度等主要工作参数的要求，对传感器、主要器件进行了选型设计，实现了测量信号远传功能；并根据控制系统总体方案，设计了以研华科创基于PCI总线技术的多功能数据采集卡PCI-1710为中心的测量、控制电路；借助于工业计算机的强大运算和编程能力，编制了用户界面友好的自动化气体流量计校准、检定程序，实现了使用钟罩式气体流量标准装置进行气体流量计校准、检定的自动控制功能。采用MCGS组态软件开发了一种智能型气体流量计的标定系统。通过在中南大学流量实验室得到的实验数据，证明本课题研究的气体流量标准装置计算机控制系统具有稳定可靠、检定效率高、准确度高的特点。 关键词： 钟罩；流量计；检定；自动化

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第一章 钟罩式气体流量标准装置

钟罩式气体流量标准装置是一个具有恒压源的气体流量标准装置。它的结构和工作原理有各种各样，但主要结构和原理基本相同，只是某个部件和某个环节上有差异。整个装置主要由：钟罩式气体流量标准装置、被检流量计实验管线、控制系统几部分组成。其工作原理是：以钟罩的容积值与被检流量计的指示值进行对比，实现对被检流量计的检定。

1.1流量和气体连续性方程 1.1.1流量的概念

流量是指单位时间内流过管道或明渠横截面的流体量，如果流体的流动随时间变化，被测流体的流量应用平均流量表示[1]：

对于体积流量，其平均流量Qv为：

1AVqv??Q（t）dt? （1-1） vt0t式中：t——测量流体的时间 (s) Qv(t)——体积流量瞬时值(m3／s)；

V——在t时间内流过有效截面的流体体积(m3)。

1.1.2气体连续性方程

气体的连续性方程：在大多数实际气体流动中，介质是连续的。在定常流的条件下，根据所研究气流在一定空间中的质量平衡，可先得到气流的连续方程式，再将其积分，即总流的连续方程：

Qm,=Qm2； （1-2）

[2]

?1?v1?A1=?2?v2?A2 （1-3）

式中：Qm——气体的质量流量，kg／s； P——气体的密度，kg／m3： V——气体的平均流速，m/s； A——有效截面的面积，m2。

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1.2钟罩式气体流量标准装置结构形式

该装置由钟罩、密封液槽、压力补偿机构、控制台、计时器和试验管道组成，结构示意图见图1。钟罩是一个倒置的容器，上部密封，下部开口，放入液槽中。液槽内盛有密封液体。一个导气管，一头通到钟罩内部，中间穿过液槽底部和密封液体；一头与试验管道相连。试验管段中，装着被检流量计。为了使钟罩垂直地上升和下降而不摇晃，钟罩两边有滑轮，两边的立柱上有导轨，滑轮沿导轨上下滚动；钟罩内也有等角分布的三个滑轮(图中未画出)，沿导气管上下滚动。为了调节钟罩内的压力，在钟罩上部系一条柔绳，柔绳经过定滑轮10，与配重物相连，配重物重量是可调的。钟罩在上升和下降过程中，由于浸没于液体中的深度在变化，使液体对钟罩的浮力产生变化。象限式补偿机构11使钟罩在上升和下降过程中始终保持内压不变[3]。

1、立柱 2、钟罩 3、标尺 4、排气导管 5 、水位计 6、水槽 7、试验管道

8、电磁阀 9、鼓风机 l0、滑轮 11、象限式补偿机构 12、平衡锤 13、底座 14、大齿轮 15、钟罩内压力表 16、齿轮 17、旋转编码器 18、钟罩内温度计 19、被测流量计前压力表 20、被测流量计前温度计

图1 钟罩式气体流量标准装置结构示意图

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1.3 钟罩式气体流量标准装置工作原理

工作时，开启鼓风机，打开电磁阀，关闭管道阀门。空气通过导气管进入钟罩，使钟罩上升。当钟罩上升到上限挡板位置时，鼓风机停止送风，关闭电磁阀。停止一段时间，观察钟罩内压力和温度，待钟罩内压力、温度稳定后，才开始检定流量计。打开阀门，钟罩内气体通过导气管流经被检流量计，排入大气，钟罩以稳定速度下降。记下各种参数，计算出结果。

1）检定时钟罩的容积

V?VN[1?（2?B??sc）（?-20）] 式中：

V——检定条件下钟罩的容积；

VN——钟罩的标准容积；

?B——钟罩材料的线性膨胀系数；

?sc——标尺的线性膨胀系数；

?——检定时的温度。

2）流过被计流量计的气体体积为

Vm?V??VpTmzm? mpmTz式中：

Vm——流过流量计的气体体积

?——钟罩内气体的密度；

?m——流量计处气体密度； p——钟罩内气体绝对压力；

p=p?+pa

pa——大气压力；

pm——流量计处气体绝对压力；

pm=p?m+pa

T——钟罩内气体热力学温度；

T=?+273.15

Tm——流量计处气体热力学温度；

Tm=?m+273.15

z——钟罩状态下气体压缩系数；

zm——流量计状态下气体压缩系数。

3）流过流量计的气体标准体积为

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1-4）

1-5） （（

(Vm)N?VpTN （1-6） pNTz式中：

(Vm)N——流过流量计的气体标准体积； pN——标准压力； TN——标准温度。

4）流过流量计的体积流量为

qv?Vm （1-7） t式中：

qv——流过流量计的体积流量；

t——检定时间。 仪表系数

k?N （1-8） Vm式中：

N——流量计的脉冲数。 5）流量计体积流量误差

Eqv?式中：

Eqv——体积流量相对误差；

qv,1-qvqv （1-9）

qv,1——流量计指示体积流量。

1.4 钟罩式气体流量标准装置的压力补偿

钟罩式气体流量标准装置的工作压力一般小于10000Pa，最大流量由钟罩的体积和测试技术决定，校准范围可达(0．5-1000)m3／h，主要适用于小管径气体流量仪表的检定。钟罩在排气装置中既是标准器，又是气源。压力不稳定会造成流量不稳定和排气量不稳定，所以必须保证钟罩内压力恒定，否则会给检定带来误差。解决压力波动的方法有多重，下面简单介绍一下可变臂轮补偿机构。

如图2所示是可变臂轮补偿机构。一个蜗牛形的可变臂轮，紧固在一个等半径的定滑轮上，随定滑轮一起转动。重物G1与钟罩有一根软绳相连，挂在定滑轮上。重物G2用另一个软绳系着，随着钟罩下降，可变臂轮与定滑轮同轴，并以相

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等的角速度转动，使切点到轴心的距离增加，从而补偿浮力的增加。

按力矩平衡原理，应有：

（1-10） mG2gd（lG2）?Rc?lAwgd（hl）式中：mG2——重物G2的质量；

lG2——重物G2的力臂；

Rc——定滑轮的半径。 另外

（1-11） d（hl）?Rcd（?c）式中：?c——定滑轮与可变臂轮的转角。 由式（2-10）和（2-11）得

mG2gd（lG2）??lAwRc2d(?c) （1-12）

积分上式，并设当?c=0时，lG2=（lG2）0，则

2?lAwRClG2?mG2?c?（lG2）0 （1-13）

这就是可变臂轮的臂长与转角的关系式。

图2 可变臂轮补偿机构

1.5钟罩式气体流量标准装置系统

1.5.1钟罩式气体流量标准装置系统整体结构

由钟罩式气体流量标准装置的工作原理可知，只需对被检流量计的参数、钟罩内和被检流量计前的绝对压力和绝对温度参数的数据采集方式合理设计，实现电信号采集和传输，时间信号采用软件内部的自循环自加效果，可以避免从外部

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采集造成的延迟、误差等不良因素。在钟罩的顶端和底端各设置一个光电传感器，两传感器之间的钟罩的容积固定，通过光电传感器的信号的变化可以控制计数器开始和停止计数，可以得到有效容积时间段的流量计脉冲数，容积可以固定为上下挡板之间的容积。再增加适当的控制电路，整套标准装置即可实现自动化。被检测的流量计参数一般有模拟型号或频率信号，只需采用相应的传感器输入计算机。

从整体设计出发，本系统有以下几种信号需要输入计算机： 1） 4路温度信号（钟罩内温度和3路测量管路的温度）； 2） 4路压力信号（钟罩内压力和3路测量管路的压力）； 3） 2路限位开关信号（上下限位开关）； 4） 1路流量计信号； 5） 1路旋转编码器信号。 有以下几种信号需要输出计算机：

1） 4路电磁阀控制信号（进气管路电磁阀和3路检测管路电磁阀）； 2） 1路风机控制信号；

3） 1路可调开度电磁阀控制信号。 本系统的系统流程图如图3所示。

图3 钟罩管道布置示意图

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1.5.2钟罩式气体流量标准装置系统原理

铂电阻传感器、压力变送器和旋转编码器测得的温度、压力和位移信号通过PCI数据采集卡采集再输入计算机，时间信号可由软件自带的时间循环计数得到，然后，软件采集旋转编码器脉冲信号，并计算出标准容积。被检流量计的流量通过软件互动界面手工输入或直接通过传感器输入电脑。再利用MCGS软件接受数据，根据程序内嵌的公式进行运算处理数据，并通过软件界面控制整个过程，实现自动化，完成对电磁阀、鼓风机等设备的控制。

钟罩式气体流量标准装置控制系统电路如图4所示。

图4 钟罩式气体流量标准装置控制系统电路框图

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第二章 温度检测系统设计

由于本设计的任务是要求测量的范围为0℃～100℃，测量的分辨率为±0.1℃，综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本课题的温度传感器，具有稳定性好、测量准确、抗振动、灵敏度高和安装使用方便等优点。该传感器的测温范围从－200℃～＋850℃。

本设计设计的温度监测系统是把热电阻信号通过传感器检测转变为电压信号，经过信号采集电路转换成A/D输入的标准信号。之后A/D将模拟电压信号变转换成数字信号，然后送入单片机（MCU）进行处理和运算，单片机将处理的数据通过LED数码管显示。整体方案设计流图如图5所示。

传感器处 显 A/D 理电路单 转 换片机示模块2.1方案论证

温度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。 方案一：模拟分立元件

如电容、电感或晶体管等非线形元件，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。 方案二：温度传感器

通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LED显示温度。 热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃～850℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的，所以我们设计最终选择铂电阻Pt100作为传感器。该方案采用热电阻Pt100作为温度传感器、OP07作为信号放大器，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。在这里我选用方案二完成本次设计。

图5 检测原理图

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2.2 传感器

温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，目前得到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性等，常用的热电阻如Pt100、Pt1000等。

热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。常用的热电偶材料有铂铑-铂、铱铑-铱、镍铁-镍铜、铜-康铜等，各种不同材料的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等。

根据系统温度范围0到100，选择最常用的Pt100型铂电阻传感器，因为其具有稳定性好，测量准确，灵敏度高，抗振动，安装使用方便等优点。

2.3 热电阻的接线方式

热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：

1） 二线制连接方式

在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式如图6所示只适用于测量精度较低的场合。

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图6 二线制接法

2）三线制连接方式

在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

3）四线制连接方式

在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

热电阻采用三线制接法：

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

当Pt100在0℃的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： 当-200

Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的系数：

A=3.90802×10-3/℃； B=-5.802×10-7/℃； C=-4.27350×10-12/℃。

WP型Pt100薄膜铂电阻传感器的主要技术指标如下：

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1、测量范围：-200～400℃；

2、基本误差：±(0.15+0.002 ︳t︳)℃； 3、响应时间：<30s；

Pt100温度传感器在0℃-100℃时，电阻与温度呈线性变化，0℃时电阻值为100Ω，100℃时电阻值为138．5Ω，电阻变化率为0．3851Ω／℃。由于其电阻值小，灵敏度高，所以在接线的时候，引线的阻值不能忽略不计，而采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，原理如图7：

图7 三线制接法

Pt100引出的三根导线截面积和长度均相同(即 r1=r2=r3)，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。当被测介质温度变化时，Pt100铂电阻阻值发生变化，电桥失去平衡，U≠O。由Pt100温度／阻值对应关系式可知，当温度较低时，Pt100的阻值变化量相对于R0较小，电桥输出压差正比于Pt100的阻值变化量，Pt100的线性度较好；当温度较高时，R／R0的值较大，Pt100的线性度变差。Pt100在常温0--100℃之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100(1+At)，当温度变化1℃时，Pt100阻值近似变化0．3851Ω，对应的电桥输出压差变化0．001V。

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第三章 数据采集系统

3.1温度变送器

3.11温度变送器的用途和分类

温度变送器用于温度测量，本文将温度变送器定义为应用温度传感器进行

温度检测，通过转换电路将温度传感器的信号转换为标准电流信号、标准电压信号的温度测量装置。 从信号输出接口上分为4~20mA，0~10mA，0~20mA，0~5V，0~10V等，或数字/频率接口和其他接口；从结构和安装形式上分为壁挂式，风道式，探棒式；从温度传感器和转换电路的距离上分为一体式或分体式；还有防爆等类型产品。

3.1.2温度变送器的基本原理和技术参数

应用温度传感器进行温度检测，其温度传感器通常为热电阻、热敏电阻、集

成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为标准电流信号或标准电压信号。温度测量范围、 温度测量准确度、温度测量信号输出形式、 温度变送器的结构形式和安装形式。

3.1.3温度变送器的选用

由于本系统设计的测温范围为0～100°C,选用的温度传感器类型为Pt100，参见温度传感器选型；可选择0~5V的温度变送器其工作原理以热电阻Pt100为例，通过感应温度变化达到阻值的变化 温度变送器： 1.通过确认阻值的不同计算出当前的温度

2.再根据热电阻的量程变送输出对应的标准 信号(1-5V）值

即： 温度变化－－热电阻－－电阻变化－－温度变送器－－1~5V信号

3.2数据采集 3.2.1 PT100采集模块

热电阻温度传感器采集模块可以实现两路现场温度的采集，同时利用采集模块自身的RS－485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。

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PT100热电阻采集模块可通过隔离的485通讯接口与RS－485局域控制网组网连接，RS－485最多允许32个PT100、热电阻采集模块挂在同一总线上。在将PT100热电阻采集模块安装入网前，应对其进行配置，并首先应将模块的波特率与网络的波特率设为一致，同时应分别设置PT100热电阻采集模块为不同的地址，防止各PT100、PT1000热电阻采集模块的地址冲突。

将PT100热电阻采集模块正确连接后，主机发出读数据命令即可使PT100热电阻采集模块将数据送回主机。PT100热电阻采集模块内的数据每秒钟更新一次，并周期性地更新显示屏的显示数据。

3.2.2多功能的数据采集卡

根据设计需要，采用研华科技公司生产的PCI-1710HG多功能的数据采集卡，它有先进的电路设计，具有较好的质量和更多的功能，其中有最常用的测量、控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量的输入、输出以及计数器和定时器功能。

3.2.3PCI-1710HG数据采集卡的特点

PCI-1710HG多功能的数据采集卡的主要特点如下：

16路的单端或8路的差分模拟量输入通道，或者组合的输入方式； 12位的A/D转换器，采样速率达100kHz; 通道增益可随意编程； 单端或者差分输入自由组合； 卡上有4K采样FIFO缓冲器； 2路12位模拟量输出通道；

16路的数字量输入通道及16路的数字量输出通道； 可编程定时器，计数器； PCI总线的数据传输。

PCI-1710HG多功能的数据采集卡的一般特性： I/O接口：68脚SCSI-II孔式接口； 功耗：+5V、850mA(典型值)； 工作温度：0-60℃； 存储温度：-20~70℃； 工作湿度：5%~95%RH。

提供16路数字量输入和16路数字量输出，使用户可以最大灵活的根据自己的需要来应用。其中模拟量输入端口只接受1~5V电压信号，数字量输入输出端口高

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电平为5V，低电平为0V。

3.2.4PCI-1710多功能数据采集卡的功能

1）即插即用功能

PCI-1710完全符合PCI规格Rev2．1标准，支持即插即用。在安装板卡时，不需要设置任何跳线和DIP拨码开关，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断等，均由即插即用功能完成。 2）单端或差分混合的模拟量输入

PCI-1710是一个自动通道／增益扫描电路，该电路能代替软件控制采样期间多路开关的切换。卡上的SRAM存储了每个通道不同的增益值及配置，这样可使不

图8 PCI-1701管脚图

不同的通道使用不同的增益，并且自由组合单端或差分输入来完成多通道的高速采样。PCI-1710卡上有一个FIFO缓冲器，能存储4K的A／D采样值。当FIFO缓冲器半满时，PCI一1710会产生一个中断。该特性提供了连续高速的数据输入及windows下更可靠的性能。

PCI-1710提供了可编程的计数器，用于为A／D变换提供可触发脉冲。计数器芯片为82C54或与其兼容的芯片，它包含了三个16位的IOMHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用于对输入通道的事件进行计数。另外两个级联在一起，用作脉冲触发的32位定时器。 3）16路数字输入和1 6路数字输出

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提供16路数字输入和16路数字输出，使用户可以最大灵活的根据自己的需要来应用。 4）短路保护

PCI-1710在+12V(DC)／+5V(DC)输出管脚处提供了短路保护器件，当发生短路时，保护器件会自动断开停止输出电流，直到短路被清除两分钟后，管脚才开始输出电流。

3.3信号传输

根据设计的自控系统总体方案和主要元器件的选型的结果，相应的设计出该系统的信号接线图，该电路以多功能数据采集卡PCI-1710为中心，采集的温度测量信号经过信号调理电路后整理成l一5V的电压信号输入PCI-1710的模拟量输入端口；被检流量计的频率信号接入脉冲触发计数器端口；电磁阀和鼓风机经过继电器分别接入1710的数字量输出端口；限位开关接入PCI-1710的数字量输入端口； PCI-1710直接插入计算机PCI插槽，与计算机相连。

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第四章 系统组态

软件的设计是钟罩式气体流量标准装置开发研制中至关重要的一个环节，用户最终将直接通过软件和系统对话。为了方便用户的使用，软件的开发中尽量遵循界面布置合理、美观，功能合适，操作简单，做到检测结果一目了然。通过分析，本系统初步图像显示界面、数据记录界面、数据采集部分、控制部分和装置的原理解释界面组成。

4.1 组态软件的发展现状

组态软件是一种新型的软件开发工具，近年来，组态软件在工业领域被广泛运用。人们不需要学习具体的指令和代码，只要运用软件内部封装好的工具，通过硬件配置、数据和图形组态等即可以实现所需的开发工作。各种组态软件在自动控制系统平台上，使用各种灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能。

4.1.1 国外组态软件

1）In Touch：Wonder ware的INTOUCH的组态软件是最早一批传入我国的。他的功能简单，设计人员容易掌握。由于都是内部封装好的函数，且语句格式可以直接获取，所以十分方便地就可以编写脚本程序。对于功能要求不高的工业过程，性能比较好并且运行速度快，所以一直以来都是监控软件的主流之一。但对于熟练INTOUCH软件编程技术人员来说，它的功能也可以更为强大。

2）iFix：IntcHufion公司最新的系列产品，iFix的功能虽很强大，但它对于硬件的要求比苛刻。对于比较复杂的系统来说，iFix的优势就可以显现出来。IntcHufion提供了更加强大的组态功能，在运行过程中数据源可以随意改变，这就为设计人员提供方便，可以更加方便地实现自动控制。

3）Citech：澳大利亚的CiT公司开发的Citech软件也是较早进入中国市场的产品之一。Citech的操作方式简单易懂，但其操作方式一般是面向程序员，而不是普通的工控用户。Citech提供了类似C语言的脚本程序语言进行二次开发，但与iFiX不同的是，Citech的脚本程序语言并不是面向对象的编程语言，而是一种类似于C语言的编程语言，这就为用户进行二次开发增加了难度。

4）WinCC：Simem的Wince是西门子产品的一个套装软件，在功能上面没有太多的特点，并且在实际运用中与计算机的操作系统的兼容性又不好，所以在技术支持的工作方面及其推广的工作开展并不全面。而其新出的版本WinCC5.0在功能

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上有了很大的改善，其色彩和图库的美观性得到了大大提高，Siemens正在着手向监控领域里发展并谋取其在自动化领域同样的稳固地位的作准备，所以，WinCC会因其PLC技术在工业现场的运用也将会越来越多。

4.1.2 国内组态软件

随着工控的发展，国内许多企业也相继开发了国产化的组态软件，其产品也正在逐步占领国内市场，近年来已产生许多具有一定影响力的产品，例如MCGS、组态王、天工、虎翼、ControlX、力控等。

1）组态王：由北京的亚控自动化软件有限公司开发的组态王（Kingview），是国内目前较有影响的组态软件之一。这款软件提供了像资源管理器一样的操作主界面，并且还提供了支持汉字作为关键字的脚本程序语言。而且提供了多种硬件的驱动程序。具有开放性、易用性和集成能力。

2）力控：力控软件也是国内较早出现的组态软件之一。在1999~2000 年期间，力控得到了相当有力的发展，它在很多中间环节的设计上，都能从用户的角度出发，不仅注重其实用性，而且不失软件的规范。公司还在产品的培和用户技术支持等许多方面投入了大量的人力，力控软件的产品也将在工控的软件界形成巨大的影响。

3）MCGS由北京昆仑通态科技有限公司开发研制的，其开发的MCGS组态软件具有多任务和多线程功能，源程序采用VC++编程，并通过OLE技术向用户提供了VB编程接口，还提供丰富的设备动画构件、驱动构件、策略构件, 用户可以随时方便地扩充系统的功能。

4.2 组态软件的选择

本流量标准装置软件采用MCGS组态软件。主要是因为它有以下功能和特点，比较适合运用于本装置。

1）容量小：整个系统最低的配置只需要极小的存贮空间，就可以方便的使用DOC等不同的存贮设备；

2）速度快：系统的时间控制的精度非常高，可以方便地完成各种各样的高速采集系统，并满足实时的控制系统要求；

3）成本低：使用嵌入式计算机，大大的降低设备成本；

4） 稳定性高：无风扇，上电重启时间很短，可在各种恶劣条件下稳定的长时间运行；

5）支持多种设备：提供了所有常用的硬件设备的驱动。

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4.3 检定软件流程

根据系统需求分析，系统分为五个模块：主程序、流量计的检定、数据查询、原理查询、系统管理。

主程序是整个系统的核心，协调所有的功能模块。

流量计的检定分为：过程的控制、数据计算和数据保存三部分，其中过程的控制是控制检定的流程；数据计算是根据输入的公式计算数据采集卡采集的原始数据；数据保存是将缓存区的数据存入数据库。

数据查询，便于用户进行查询并可输出表格文件进行操作和打印；提供数据的备份/还原功能，防止由于硬件或操作系统的不可预测的原因造成数据的丢失和损坏而带来不可逆转的损失忽然麻烦。

原理查询，便于新用户了解整个系统的原理，在里面说明的整个系统的硬件原理、控制电路原理和钟罩式气体流量标准装置的检定原理。

系统管理，对检定过程中所需的基本的技术参数进行设置，其中包括基本误差限设置、仪表系数、气体密度(检定介质和工作介质)修正系数等。

4.3 主程序

启动程序进入MCGS的运行环境，弹出主界面，如图9所示

在主界面上有3个按钮，对应进入三个子界面（速度式流量计的检定、转子流量计的检定、原理图）。在进入主程序时完成系统的初始化和身份验证，如图10所示，随后即可以进行检定，检定程序框图如图11所示。

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图9钟罩式气体流量检定流程

图10主程序框图

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图11流量检定子程序框图

初始化，将数据库中的数据清0，如下：

!DelAllSaveDat(数据组1)

序号=1 t1=0 t2=0 t3=0 m=0 电磁阀1=0 电磁阀2=0 电磁阀3=0 调节阀=0 时间=0 电磁阀=0 风机=0

!DelAllSaveDat()是MCGS中的清零数据对象的系统函数，t1、t2、t3是自定义的三个对象，序号控制存入数据的次数。

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4.4. 运行策略

在MCGS组态软件的运行策略中有各种各样的策略，用户可以根据需要建立策略，来实现自己的需求。

循环策略--可以按时间周期循环在钟罩下降检定过程中，上限挡板=0、下限挡板=1、电磁阀1+电磁阀2+电磁阀3=1，同时满足以上三个条件，就表明钟罩在检定。由于有三根管道，有三个压力和温度信号，但每次只检定一个流量计，所以管道的压力和温度可表示为压力1*t1+压力2*t2+压力3*t3和温度1*t1+温度2*t2+温度3*t3。在选着管径阶段已经令tx=1（检定管道对应的参数），ty=0（y不等于想）。检定阶段开始时已令电磁阀1=t1、电磁阀2=t2、电磁阀3=t3。M初始值为0，刚开始循环p0=(压力1*t1+压力2*t2+压力3*t3+p0*m)/(m+1)，是在给p0初始化，随着循环次数增加，m每次自加1，所以p0是开始循环阶段的平均压力。循环周期设为1s，时间=时间+1，记录检定阶段时间，精确度1s。如此计算时间，可以消除由外界取时间信号的延迟带来的误差。程序如下：

if (上限挡板=0)and(下限挡板=1)and(电磁阀1+电磁阀2+电磁阀3=1) then

p=(钟罩内压力+p*m)/(m+1) t=(钟罩内温度+t*m)/(m+1)

p0=(压力1*t1+压力2*t2+压力3*t3+p0*m)/(m+1) t0=(温度1*t1+温度2*t2+温度3*t3+t0*m)/(m+1)

m=m+1 时间=时间+1 endif

if 上限挡板=1 then

电磁阀=0 水泵=0 endif

if 下限挡板=0 then

电磁阀1=0 电磁阀2=0 电磁阀3=0 调节阀=0 endif

钟罩容积 =仪表系数*编码器脉冲数

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流量 = (钟罩容积（1+0.0000498*(t-20-273.15) * p * t0 ) /

( p0 * t * 时间 )

4.5 设备驱动

设备窗口是MCGS 系统的重要组成部分，负责建立控制系统与外部的硬件设备进行连接，使得MCGS软件能从外部的设备读取实时数据并控制外部设备进行工作，以此来实现对工业的过程进行实时的监控。

MCGS实现设备的驱动方法是：在设备窗口中配置了各种不同的设备构件，并且根据外部设备的类型和各自的特点，设置了相关属性，并将设备操作的方法，如硬件的参数配置、设备的调试、数据的转换等都封装在构件之中，并以对象的方式与外部的设备建立了数据的传输通道连接。在系统运行过程中，设备构件是由由设备窗口进行统一调度管理，向实时数据库中的对象提供从外部设备采集来的数据，从实时数据库中查询控制参数，再发送给系统其它部分，进行控制运算，实现了对设备的工作状态的实时检测和控制过程的自动化。

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参考文献

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[5]王池，我国流量计量发展现状[J]，现代计量测试，2000，1(2)：8-11．

[6]柳连柱，水流量标定装置中计量系统的研究[J]，东北大学.2007.

[7]段慧明，液体流量标准装置和标准表法流量标准装置[M]，北京：中国计量出版社，2004：55-60．

[8]王自和，范砧，气体流量标准装置[M]，中国计量出版社.2005.

[9]潘伟，基于涡轮流量计的流量标定控制系统的研究[J]，大连理工大学.2006.

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致谢

本论文是在我们导师黄学章的悉心指导下完成的，黄学章教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我们极大的帮助和影响。在此衷心感谢这段时间内老师对我的关心和指导。

在实验室实验及撰写论文期间，黄强国等学长对我们论文中的软件编写、数据维护研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我们的感激之情。

在本论文即将完成之际，谨向我最尊敬的导师黄学章教授致以我最真诚的谢意，在本论文的选题、设计和论文写作工程中，作者始终得到了黄学章老师的悉心指导和热心关怀，他渊博的知识，丰富的经验，严谨的学风，豁达的胸怀，创造性的思维和高尚的品质给我以深刻的影响，使我受益终身。真心感谢导师在学术上传道授业，感谢导师在学习和生活中给与的宽容理解和无私帮助。

在课题的完成过程中，作者得到了本实验室的海俊义老师的协助，在此表示衷心的感谢。

感谢本文引用的许多作者研究成果和资料。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/upo6.html