1、前言

　　流量檢測系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，其發(fā)展動向的技術(shù)發(fā)展動向主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

　　1、提高儀表智能性。儀表的智能性主要是功能上的智能性，特別是近年來新型微處理器的出現(xiàn)和應(yīng)用，使儀表通過對軟件控制和管理實(shí)現(xiàn)整個測量工作過程，充分發(fā)揮出微機(jī)的功能和靈活性。

　　2、數(shù)據(jù)采集能力的提高，測量性能的改善。測量精度和穩(wěn)定性是一般流量計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)，并與所采用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)密切相關(guān)。通過減少干擾、提高檢測精度和儀表穩(wěn)定性，從而使數(shù)據(jù)采集卡的能力得到大大加強(qiáng)。

　　3、增強(qiáng)CPU處理能力，提高數(shù)據(jù)處理功能隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，用高性能集成芯片和微處理器來提高信號放大處理精度、拓寬儀表檢測量程、補(bǔ)償檢測誤差及零點(diǎn)校準(zhǔn)己成為當(dāng)今儀表的發(fā)展方向之一。

　　4、提高系統(tǒng)的開放性。提高系統(tǒng)的開放性包括提高硬件電路開放性、軟件結(jié)構(gòu)開放性、通訊接口開放性以及人機(jī)界面開放性。

　　5、系統(tǒng)的模塊化趨勢。流量檢測的數(shù)據(jù)采集部分、信號處理部分包括數(shù)據(jù)采樣、濾波、放大等等功能模塊都被模塊化。實(shí)際系統(tǒng)組成時，只需按照所需功能選取相關(guān)模塊組裝完成。

2、基于CAN與虛擬儀器（VI）的智能流量檢測系統(tǒng)研究

　　2.1 虛擬儀器（VI）簡介

　　所謂虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI），即是將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)與革新的靈活易用的軟件和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起功能強(qiáng)大又靈活易變的基于計(jì)算機(jī)的測試測量與控制系統(tǒng)。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者有效的結(jié)合。

　　虛擬儀器（Vl）是計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類。虛擬儀器通過給用戶提供組建自己儀器的可重用源代碼庫，來處理模塊間通訊、定時、觸發(fā)等功能。它強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺的基礎(chǔ)上，通過軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩舳x的、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。由于虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所替代。因此，從某種意義上可以說“軟件就是儀器”。如今，隨著電測技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)必將成為儀器儀表技術(shù)發(fā)展的主要方向。

　　2.2 CAN現(xiàn)場總線簡介

　　CAN是控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network）的簡稱，是由德國BOSCH公司最早提出的一種用于汽車內(nèi)部執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信的協(xié)議。CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)之上的，但是其模型結(jié)構(gòu)只有3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

　　CAN的數(shù)據(jù)傳輸是采用短幀格式，每一幀的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為8個，通信速率可達(dá)1Mbit/s。CAN傳輸數(shù)據(jù)用時極短，因而總線上數(shù)據(jù)受干擾的幾率大大降低;當(dāng)節(jié)點(diǎn)上發(fā)生嚴(yán)重?cái)?shù)據(jù)傳輸錯誤時，還具有自動關(guān)斷出錯節(jié)點(diǎn)的功能，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持“多主”工作方式，CAN網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)都可以在任意時刻主動向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，可以方便地實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對點(diǎn)”、“一點(diǎn)對多點(diǎn)”和“全局廣播”的通信方式。由于CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

　　2.3 基于CAN與虛擬儀器的智能流量檢測平臺

　　2.3.1 需求分析

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，閥門在工業(yè)領(lǐng)域中的地位越來越重要，質(zhì)量、性能要求也越來越高。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的閥門生產(chǎn)廠家大多把不同壓力等級、不同類型和不同公稱通徑閥門的流量系數(shù)值列入產(chǎn)品樣本，供設(shè)計(jì)部門和使用單位選用。流量系數(shù)值隨閥門的尺寸、型式、結(jié)構(gòu)而變化，不同類型和不同規(guī)格的閥門都要分別進(jìn)行試驗(yàn)，才能確定該閥門的流量系數(shù)值。目前，在我國能夠測量閥門流量系數(shù)的試驗(yàn)設(shè)備很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需要，并且這些設(shè)備大多是采用傳統(tǒng)儀表測量和手動測量的落后方法，所能達(dá)到的精度比較低，因此本系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)和基于工業(yè)高實(shí)時性的CAN通信方法來改善這種現(xiàn)狀。

　　2.3.2 基于CAN的通信方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于ARM處理器的檢測終端是基于CAN現(xiàn)場總線的數(shù)字集成控制器，一個典型的基于CAN與ARM智能檢測終端的集成檢測平臺的結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它配備了多個CAN智能檢測終端節(jié)點(diǎn)，以及顯示儀表和上層計(jì)算機(jī)。ARM9智能檢測終端作為CAN總線前端的某個控制節(jié)點(diǎn)（圖1中的從節(jié)點(diǎn)1），主要承擔(dān)著控制現(xiàn)場設(shè)備的任務(wù)。顯示儀表可以選配，用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果;上層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（圖1中的主節(jié)點(diǎn)）主要由主控機(jī)、接至主控機(jī)內(nèi)部的CAN總線通信接口適配卡組成，負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理、發(fā)送控制命令、傳輸數(shù)據(jù)等。主控機(jī)機(jī)型采用機(jī)型為PIII或P4級工控機(jī)，另外選用一塊帶PCI總線接口的 CAN總線通信接口適配卡。

圖1、基于CAN總線的集成檢測平臺圖

　　2.3.3 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用

　　選用LabVIEW的數(shù)據(jù)接口卡，工作原理如圖：

圖2、基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡的工作原理圖

　　一個檢測系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理電路、微處理器/計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理等各環(huán)節(jié)組成。在檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)與各組成環(huán)節(jié)性能指標(biāo)的關(guān)系，合理地進(jìn)行誤差分配，以最少的策劃成本、最簡單的實(shí)現(xiàn)方案獲得最好的系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。

　　系統(tǒng)是用來動態(tài)測試閥門流量系數(shù)的，因此其中的關(guān)鍵就是能夠準(zhǔn)確、快速的提取測試系統(tǒng)中的壓力、壓差、流量和溫度等隨時間動態(tài)變化的物理量，而計(jì)算機(jī)是提取和處理這些信息的最好工具。因此構(gòu)建出以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器測試系統(tǒng)，目的是能夠較高精度、較高靈敏度、較高效率的獲得壓力、壓差、流量和溫度等參數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)值。并能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和處理，最大限度地消除測量的隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和外界干擾，完成自動校正零點(diǎn)、自動顯示、輸出數(shù)據(jù)以及打印試驗(yàn)報告等功能。

　　構(gòu)建基于虛擬儀器的流量檢測系統(tǒng)，首先需要測試用的管道系統(tǒng)，它是測試能夠進(jìn)行的基礎(chǔ)。管道的設(shè)計(jì)要求能夠滿足試驗(yàn)所需要的壓力和流量，并能夠使其保持平穩(wěn)，當(dāng)然還要考慮其對傳感器的保護(hù)作用，使整個系統(tǒng)的使用壽命更長一些。

　　其次還要有把所要測量的物理信號轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行測量的電信號的傳感器，系統(tǒng)所要測量的物理量是：壓力、壓差、流量和溫度，考慮到測量精度和成本，選用了陶瓷壓力傳感器、電容式壓差傳感器，渦輪流量傳感器和pt100熱電阻分別測量壓力、壓差，流量和溫度。由于渦輪流量傳感器出來的是不規(guī)則的頻率信號，這種信號不利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，因此在流量傳感器后面加了一個可以把頻率轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號的二次儀表。

　　再次，構(gòu)建基于虛擬儀器的流量檢測系統(tǒng)，光有傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，傳感器出來的號還要進(jìn)行光電隔離、放大、A/D轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。綜合以上因素，在系統(tǒng)中加入了一個具有放大、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離等功能的數(shù)據(jù)采集卡。

　　另外，還需要電源、接線板、信號連接線等輔助元件，其中電源是用來給傳感器和功率放大器供電的。

　　最后，既然是虛擬儀器，計(jì)算機(jī)是必不可少的，考慮到整個測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用了華北工控的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

　　綜上所述，基于虛擬儀器的閥門流量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可分：檢測管路設(shè)計(jì)、傳感器位置規(guī)劃和計(jì)算機(jī)測試子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。下圖給出檢測管路設(shè)計(jì)的圖示：

圖3、 檢測管路設(shè)計(jì)

　　圖中1為可控水源，2為止回閥，3為流量調(diào)節(jié)閥，4為過濾器，5為測溫傳感器，6為流量傳感器，7為流量數(shù)字累計(jì)儀，8為壓力傳感器，9為壓差變送器，10為被測閥門。系統(tǒng)的可控水源是由一個大功率抽水泵組成;止回閥和流量調(diào)節(jié)閥主要防止水倒流和保持系統(tǒng)流量的穩(wěn)定;過濾器的作用是過濾水中的雜質(zhì)，保護(hù)渦輪流量傳感器的渦輪免受傷害。

　　檢測系統(tǒng)總體硬件平臺的設(shè)計(jì)框圖如圖4。

圖4、檢測系統(tǒng)的硬件平臺

　　被測的各種參數(shù)（壓力、壓差、流量、溫度）由傳感器變換成易于后續(xù)處理的電信號。如果傳感器輸出信號太弱或信號質(zhì)量太差，則應(yīng)經(jīng)過前端預(yù)處理電路進(jìn)行放大，濾波等處理。然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，然后驗(yàn)證是否符合試驗(yàn)所要求的條件。若不能滿足條件（如試驗(yàn)溫度過低，流量不穩(wěn)定，壓力過高等），則觸發(fā)報警裝置，同時發(fā)出調(diào)節(jié)或禁止試驗(yàn)的指令以保護(hù)試驗(yàn)裝置不被破壞;若能夠滿足試驗(yàn)條件，計(jì)算機(jī)就開始數(shù)據(jù)運(yùn)算，并對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄入數(shù)據(jù)庫、繪制成曲線、圖表等，然后由I/O子系統(tǒng)完成閥門規(guī)格、型號、適應(yīng)條件等基本參數(shù)的人一機(jī)交互，最后打印出試驗(yàn)報告。

3、應(yīng)用案例

　　一個測試系統(tǒng)建立的是否成功，是通過檢驗(yàn)測試結(jié)果的有效性來判定的。自本系統(tǒng)在校閥門流量檢測研究中心建成以后，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，經(jīng)過測試表明，界面操作方便，各項(xiàng)功能都達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，能滿足試驗(yàn)研究的使用要求。

　　以針對SZ45X系列的閥門為例，所測數(shù)據(jù)在管道流體產(chǎn)生紊流的情況下測試，流體的雷諾系數(shù)滿足在4X105～1X106之間的要求。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)和儀表顯示數(shù)據(jù)比較，相對誤差的絕對值均小于1.4%，滿足JB/T 5296-91規(guī)定的測試有效誤差范圍士2%要求。從而可以證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到要求，處于國內(nèi)領(lǐng)先的地位，其計(jì)算機(jī)采集處理、顯示的數(shù)據(jù)滿足了系統(tǒng)精度的要求，可以用于閥門流量系數(shù)方面的測試。同時系統(tǒng)可以方便的給出閥門的各種參數(shù)和試驗(yàn)的結(jié)果，包括：試驗(yàn)日期、閥門基本資料、測試原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線、閥門流量系數(shù)測試結(jié)果等等。

4、結(jié)論與展望

　　經(jīng)專家鑒定和實(shí)際測試結(jié)果分析，基于CAN與虛擬儀器的智能流量檢測系統(tǒng)可用于測定測定閘閥、截止閥、節(jié)流閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、旋塞閥、止回閥、底閥、減壓閥的流阻系數(shù)和閘閥、節(jié)流閥、球閥、蝶閥的流量系數(shù)，從而達(dá)到測定流量的目的。其基于CAN總線的通信方式保證了測定參數(shù)的實(shí)時性和系統(tǒng)的高抗干擾特性?；谔摂M儀器技術(shù)的使用可以讓其更方便的以軟件的方式添加檢測系統(tǒng)的功能，使系統(tǒng)具有開放性、智能和模塊化特性，符合了當(dāng)今流量檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其關(guān)鍵技術(shù)可以用于大多數(shù)包括實(shí)時檢測監(jiān)控測控和過程測控的工業(yè)控制系統(tǒng)。

創(chuàng)新點(diǎn)：

　　1、基于CAN和虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合用于流量檢測系統(tǒng)

　　2、提供了一種可集成實(shí)時測控和過程測控的先進(jìn)解決方案