0 引言
目前国内外市场上用于大流量TSP采样器校准的校准器或者可以用作大流量TSP采样器校准的流量测试仪都比较少，而且这类产品所能校准的流量范围大多都在1m3/min左右，最高只能校准1.05m3/min的恒流大流量TSP大气采样器[1-3]，对即将形成新标准的1.8～2.25L之间的大流量TSP大气采样器就束手无策了，而且大多数流量校准仪都不设有自动温度、大气压参数补偿功能，只有校准仪工作的现场环境参数和它被校准时的环境参数相近时才能获得比较高的精确度，当现场和标准环境下的温度、气压数据相差较大时测量结果会有很大的误差.针对这些不足，本文提出了一种新型的微电脑大流量校准仪的设计方案，在测量范围、精度和功能界面的升级方面对现有TSP流量校准仪做了改进。
1 孔板流量计的测量原理
节流式流量计主要有文丘里管、流量喷嘴、孔板（图1）3种[4-6]，其共同特点是基本测量元件均放置在流动介质的路径中，起着一种阻挡的作用，用于引起流体局部速度的改变.伴随着速度的改变，流体的压力也改变.在最大节流点处流速最大，其压力最小，这种压降的一部分由于动能的耗散而成为不可恢复的，因此输出的压力始终小于输入的压力.在这3种压力转换装置中文丘里管的静压损失最小，而孔板会有30%～40%的静压损失.在精度方面文丘里管的精度最高，但是其价格昂贵不宜加工，且体积大.相比之下孔板的价格便宜，安装时的麻烦最小，所以在实际应用中孔板式流量计还是占大多数，其体积流量
（1）
式中流量系数K随着雷诺数和孔径比的变化而变化.当流体流经孔板时，由于它在接近孔板的限流板会给予流体法相向内的速度分量，这一过程一直被带到孔板下游的一侧，因此最小射流段并不是产生在孔板所处的平面处，而是在下游的某一处（见图2），该最小射流处所产生的条件称为脉缩.脉缩处是流体的静压最小处，也是安装压力接受装置的最佳位置。
所有的流量及在校准时规定的环境都是在20℃和101.325kPa大气压强下的参比流量，而实际的大气采样和流量校准的环境往往达不到这个要求甚至还有比较大的偏差.根据气体状态方程：
（2）
其中R为气体常数。
对于处于不同温度和压强状态下的气体其密度ρ1、ρ2满足：
（3）
根据式（1）
（4）
其中ρ1是标准环境T1=20℃、p1=101.325kPa下空气的密度，实际现场的压差与体积流量的关系式如下：
（5）
而我们的校准仪器的调校是在标准环境下进行的，它反映的p1-p2与Qv的曲线关系仅在ρ1下成立，因此在ρ2的环境下必然造成偏差.设在ρ2环境下根据式（3）所反映的标况下的曲线关系所求得的体积流量为Qv1'，为了补偿这个偏差，我们连立式（3）与式（5）得到在现场环境下体积流量的另一种表达式：
（6）
从上式中我们看到，现场流量等于参比下的压差2体积流量关系式乘以，所以我们在非标况环境下测得的体积流量只要乘以就可以得到现场环境下实际的体积流量。
2 硬件方案设计
2.1 功能与实现
本设计的基本原理是通过测量孔板节流装置上下游的静压差，利用曲线回归来测算流过节流装置的体积流量.为了补偿环境因素带来的偏差，还需要测量现场环境的温度和大气压强。
在仪器使用前应对其进行标定，根据标定记录的参数得到静压差2流量的回归方程，即Δp2Q.同时标定时需要记录下标定现场的大气压P1、温度T1，并换算成标况下的静压差2流量Δp2Q关系。
在仪器使用时，把仪器测量的静压差Δp、现场的大气压P2、温度T2代入根据标定时确定的Q2Δp关系，再乘以环境校正参数即可得到现场的体积流量。
本设计涉及到对模拟量的采集、数模转化以及对数据的处理与存储以及相关的显示和控制输入，所以需要同时使用数字和模拟器件.由于数字模块在电路板和供电线路上会产生较大的数字噪声，而模拟部分采集的又是微弱信号需要高增益放大，因此为了避免数字模块对模拟信号的干扰，本设计把模拟部分和数字模块分别放在两块电路板上，两块电路板通过信号线和电源线与共地相连接.在模拟IC模块的供电部分上做了相关的去藕处理，以尽可能减小电源的干扰[7，8].
2.2 传感器的选用
本设计最重要的部件微差压传感器通过参数计算需要测量5000Pa之内的微压差，本设计选用了HoneyWell量程为0～1PSI（1poundpersquareinch，1PSI=6895Pa）的微压差传感器SCX01DN，并通过调理电路把0到5000Pa之间的差压转换成1～5V的电信号，以供AD转换器转换.选用Dallas2DS18D20数字温度传感器、SCP1000气压传感器来测量温度和大气压强。
2.3 输入与输出设备
（1）液晶模块.由于本设计所涉及到的操作比较复杂，包括传感器调校、仪器的标定以及使用时的设置，本设计的输出界面需要能为用户提供尽可能详细、实时的信息提示，必要时还需要提供帮助界面，为此本设计采用了240×128的大屏幕液晶模块输出，其显示屏驱动模块是工业上非常普及的东芝的T6963C。
（2）轻触开关.由于输出设备采用了大屏幕液晶可以提供实时的信息提示，输入过程可以在每一步得到提示的情况下进行，因此输入的方式可以采用轻触开关以菜单选择和数字递增、递减的形式进行输入。本设计中使用了5个轻触开关，它们等距分布在显示屏下方按键的功能可以通过显示屏来定义。
2.4 周边功能模块
（1）EEPROM.除了51单片机以及相应外部总线上扩展RAM及ROM之外，由于体积流量测定是建立在由用户标定好的Q2V关系的回归方程上的，而用户在标定Q2V关系时就需要对各个标定点进行数据记录，从而在使用时读取计算得到V2Q关系并测出流量，这样仪器按照要求需要每年进行一次标定，所以这些用户输入的数据是多次修改、多次使用的，显然不可能让用户把它们烧写在FlashRom上，而存储在RAM上在关机之后数据也会丢失，不符合一次输入多次使用的要求，这时就需要使用EEPROM电可擦除式存储器.本设计选用的是I2C总线的非易失性存储器Atmel24C16，该存储器拥有2k字节的存储空间，完全可以满足用户标定数据的记录。
（2）时钟模块.在实际使用中时间信息也是一个很重要的参数，不仅在标定过程中需要控制时间，而且在必要的情况下需要对每次标定做一个时间记录，这就需要一个通用的时钟模块.本设计采用的是Dallas的DS1302时钟模块，该模块可以输出从秒到年的时间信息，而且使用的是三线制串行通讯，对端口的占用不大。
（3）CPLD的应用.对于单片机外部总线的扩展，可以把模块全部挂到P0与P2的数据和地址总线上（本设计中有T6963C、8255、SRAM），然后通过其它IO口分别做片选来使用所要使用的模块.本设计引入了GAL16V8的CPLD模块，通过单片机高位地址线P2信号进行组合逻辑的判断。
2.5 数字控制板的架构
数字控制板采用单电源5V供电，其上放置的元件有W78E58B单片机、TLC2543AD转换器、MGLS240×128LCM液晶模块、HK12254K2SDRAM、8255IO扩展芯片、DS1302可编程时钟芯片、GAL16V8CPLD模块、74HC573地址锁存器。
单片机采用标准的外部总线扩展结构，用74HC5738位锁存器通过单片机的ALE地址锁存端在每个机器周期的S1P2到S2P1之间和S4P2到S5P1之间将P0端口上的低8位地址信号锁存，以释放P0总线来发送数据信号，而高8位地址线直接和总线上的元件的高位地址线连接.除了扩展FlashRom的/OE需要和单片机的/PSEN连接之外，总线上其它的扩展元件都还要和/RD、/WR连接以正确控制读写时序。
8255的功能选择端A0、A1分别和从74HC573锁存输出的地位地址线A0、A1相连.0xff02、0xff03的时候对外部数据总线进行读写操作（MOVXA，@DPTR、MOVX@DPTR，A）时，分别是向8255的A端口组、B端口组、C端口组和状态寄存器组读写信号.由于IO资源的限制，无法在分配单片机的IO口时给5个轻触开关，本设计充分利用8255扩展出的B端口组与5个连接上拉电阻的轻触开关相连接，通过对KEY_INPUT（#defineKEY_INPUTXBYTE[0xff01]）进行读操作并通过其数值来确定按键情况。而8255的A端口组与C端口组分别可以对外部部件输出控制及数据.由于8255的输出方式是带锁存的，即向其做写操作之后输出扩展端口的数据状态将保持直到下一个写操作，这样就很适合对例如LCD背光驱动、DA转换器、蜂鸣器等部件的驱动，不用一直占用总线，通过一次写操作即把状态锁定。
T6963C液晶控制模块的总线状态/数据选择端CD与74HC573输出的低位地址总线A0端连接，这样结合CPLD高位的组合逻辑便能判断当DPTR分别为0xef00、0xef01时，对扩展数据总线的读写操作就是分别对T6963C读写数据和读写控制状态.在C语言代码中分别#defineLCMDWXBYTE[0xef00]，#defineLCMCWXBYTE[0xef01]。
从TLC254311路模拟输入AD转换器引出9路通过20芯排线（其中每一路模拟通路之间用一根地线隔开以减小线间的干扰）接至模拟信号电路板，供模拟信号的采集.另通有电源和地线接至模拟板，共享5V电源。
2.6 模拟电路板的架构
模拟电路板主要有3路信号通路，分别是微压差传感器SCX01ND以及相应的信号调理电路把0-1Psi（6895Pa）的流体静压差转化为1～5V的电压信号、绝对压力传感器SMI55022152D把96～103.4kPa的绝对大气压信号转化为1～5V的电压信号、数字温度传感器直接测量温度值并以数字信号输出，在此只是借用模拟通路来传送数字信号。
对于微压差传感器SCX01DN，其满量程（1Psi）输出信号是17mV，因此需要把0～17mV的输出信号转化为1～5V的电压信号.对于绝对压力传感器，其满量程（15Psi）输出数信号是50mV，而有用的气压范围是97～103.4kPa，输出电压约在23.4～25mV之间，因此需要把23.4～25mV的信号转化为1～5V的电压信号。
由于以上两个传感器都是电桥形式的传感器，其输出既有差模信号也又共模信号，因此需要设计有高共模抑制比、高增益放大且其温度漂移尽可能小的放大电路，用集成模拟模块则能满足这个要求，本设计采用INA114，其共模抑制比可高达120dB.由于INA114需要正负双极供电并把双源公共端接至参考端才能在零点输出0V电压，又由于仪表运放不能满幅度输出，对于±5V供电也只能输出约±4V的压，所以对于5V单电源供电的电路板的设计需要专门对INA114做一些设计上的改动.在用单电源供电且不使用逆变器的情况下，首先把INA114的正负源端分别接+5V和GND，然后再用电阻分压输出2.5V的电压并送至INA114的参考端.为了减小输入参考端电压的输入电阻，可以在电位器输出和参考端之间接一个电压跟随器，这样其输入电阻可以降低到几十欧姆，从而提供更精准的参考电压.适当调节INA114的增益输出的电压信号在2.5～3.6V之间。
设计中采用山东德州仪器厂生产的TLC2272/TLC2274railtorail轨对轨满幅输出的运算放大器。在5V的供电情况下，它能在很小的压降下输出与5V非常接近的电压，这特别适用于单电源供电、单极AD转换的电路，并采用一个减法电路将2.5～3.6V的电压降低到0.24～1.34V，然后再放大约4.1倍即可转化为1～5V的输出。
通过实际测量发现接收到的信号存在较大的波动，其电压值呈现正态分布，其均方根约有150mV。为了减小这些干扰信号，本设计为每一路模拟通路设计了二阶压控电压源滤波器，经测试波动信号均方根减小到10mV左右，有效的滤除了干扰信号.另外，根据经验每一个模拟IC的正电源都并接了10μF的电解电容和0.1μF的聚苯电容，分别用于去偶和滤波，使IC模块提供更稳定的输出信号。
3 软件设计
3.1 仪器主流程
仪器开始进入欢迎界面，校验各个传感器是否正常（数值是否在许可范围内、是否剧烈波动），如果有故障则指出故障传感器.通过校验后等待3s询问是否需要标定仪器，是则进入标定流程，否或者等待则直接进入使用流程.
3.2 仪器标定流程
在标定之前需要对测量环境参数的传感器进行标定，并对时间进行设定，包括对温度传感器、大气压强传感器和时钟芯片进行校正，然后开始对差压传感器进行标定，测出U0、Δp0，最后对流量计进行标定，测出参数M1.在对仪器标定的过程中可以多次标定，然后对测得的参数取平均值。
3.3 仪器使用流程
本仪器设计具有两个主要的功能，在差压传感器通过皮管接至本设计中的孔板限流装置时其本身是一个流量计，而在差压传感器通过皮管接至压力装置内时可以用来测量差压，因此在功能选择上需要选择两个不同的功能界面.在使用过程中，也存在对环境参数的修改，因此进入流程后可以首先提示是否需要修改环境参数，然后选择功能并进入相应的功能界面。
4 结束语
本文提出了一种新型的微电脑大流量校准仪的设计方案，对现有TSP流量校准仪进行了改进：首先提高了流量测量范围，从0.8～1.2m3/min提升到了0.7～2.25m3/min.实现了对更高精度、更大流量的大气采样器的标定；其次提高了精度，对环境大气压、温度对测量结果的影响进行了校正，并利用曲线拟合等方式得到最佳的回归方程以取代原先的单值校正；最后是功能界面的升级，以往的TSP校准仪使用的是低档的单片机和8段数码管显示，操作过程复杂，而本设计加入了大屏幕液晶模块和各个功能模块，通过KeilC重新设计了程序，使操作界面更加美观、简洁，操作过程更加智能化、合理化。
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