馬學(xué)條,張樹生,文英杰

(1.中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院,浙江杭州310018;2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院,浙江杭州310008)

近年來隨著能源和水資源的全球性匱乏,全社會對流量計(jì)量測試技術(shù)的要求越來越高.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局批準(zhǔn)發(fā)布了各種流量計(jì)量設(shè)備的檢定規(guī)程,將用于貿(mào)易結(jié)算、安全防護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測的流量計(jì)量設(shè)備列為國家強(qiáng)制檢定項(xiàng)目.對于流量計(jì)量來說,各種流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是實(shí)施計(jì)量服務(wù)的主要手段,其自身的功能、精度與先進(jìn)程度就顯得至關(guān)重要.

在能源越來越昂貴的今天,任何微小的標(biāo)準(zhǔn)量值差異都將導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)利益矛盾[1-3].建立一套結(jié)構(gòu)簡單、自動化水平高、準(zhǔn)確度高的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,一方面保證了流量計(jì)量設(shè)備準(zhǔn)確的量值傳遞,另一方面能有效地避免在生產(chǎn)和貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域應(yīng)用的流量計(jì)量設(shè)備由于計(jì)量精度而引起的生產(chǎn)浪費(fèi)和貿(mào)易糾紛[4].

1 工作原理

裝置的工作原理如圖1,該裝置是質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,兩種方法共用一套被檢表試驗(yàn)管路.

圖1 裝置工作原理圖Figure 1 Work principle of facilities

1.1 質(zhì)量法工作原理

系統(tǒng)依靠水泵產(chǎn)生流量,使液體流經(jīng)被檢流量計(jì)和換向器注入容器,在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi),電子秤測得水量m,求得流量q=m/t與被檢流量計(jì)示值流量相比較,從而確定被檢流量計(jì)的相對示值誤差和重復(fù)性.

1.2 標(biāo)準(zhǔn)表法工作原理

啟動液體循環(huán)系統(tǒng),使液體流經(jīng)被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),同步操作被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),比較兩者的輸出流量值,從而確定被檢流量計(jì)的準(zhǔn)確度.管路上的標(biāo)準(zhǔn)表既可作為質(zhì)量法裝置的瞬時(shí)流量指示,又可作為標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的標(biāo)準(zhǔn)器[5].

2 裝置組成設(shè)計(jì)

裝置實(shí)物如圖2,包括3個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng):(1)質(zhì)量法裝置檢定系統(tǒng);(2)標(biāo)準(zhǔn)表法裝置檢定系統(tǒng);(3)標(biāo)準(zhǔn)表自檢系統(tǒng).質(zhì)量法為最高標(biāo)準(zhǔn),由質(zhì)量法傳遞到標(biāo)準(zhǔn)表[6],采用1臺DN50和1臺DN15的電磁流量計(jì)并聯(lián).整套裝置的最大測量流量為50 m3/h.

圖2 液體流量計(jì)自動檢定裝置Figure 2 Automatic liquid flowmeter calibration facilities

2.1 穩(wěn)定水源系統(tǒng)

水池的表面積為500 m2,容積為1 000 m3,有利于水中所含氣泡的析出和水源壓力的穩(wěn)定.進(jìn)出水口嚴(yán)格隔離,有利于析氣、散熱與沉淀雜質(zhì).水池底部有1.5%的斜度,便于水池清洗.

裝置采用調(diào)頻法和穩(wěn)流容器相結(jié)合的穩(wěn)壓措施,適用于多類流量計(jì)的檢定工作.液體流經(jīng)穩(wěn)流容器,經(jīng)阻尼板后降低流速,泵源波動經(jīng)氣容吸收,達(dá)到較穩(wěn)定的壓力源.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)器

質(zhì)量法裝置的標(biāo)準(zhǔn)器采用量程為8～600 kg、準(zhǔn)確度為1/60 000的數(shù)字式電子秤,可在量程范圍內(nèi)自動轉(zhuǎn)換、去皮、稱重等.標(biāo)準(zhǔn)表法裝置的標(biāo)準(zhǔn)器采用性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度為0.2級的電磁流量計(jì),包括DN50(3.5 ～50 m3/h)1臺、DN15(0.2～4 m3/h)1臺.

2.3 管路系統(tǒng)

包括 DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50共6條試驗(yàn)管路,2條標(biāo)準(zhǔn)表管路.試驗(yàn)管路的前管段長度為25D,后管段長度為15D,按照GB/T 778-1996規(guī)定,在前 5D,后 10D處設(shè)置取壓孔;標(biāo)準(zhǔn)表管路的前管段長度為10D,后管段長度為5D[7].

2.4 換向器

采用開式氣動電控?fù)Q向器,流通能力為DN50,50 m3/h,換向行程差小于10 ms,換向過程中噪聲小、不濺水、對流體的流場特性影響小[8,9].

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3,控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制器、變頻器、電子秤和軟件等組成.通過RS-232接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制器、變頻器、電子秤等設(shè)備的通信,實(shí)時(shí)采集和記錄測試數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)變頻器的工作狀態(tài).

圖3 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Figure 3 Topology structure of control system

3.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器采用AT89S52單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、稱重等數(shù)據(jù)的自動采集;承擔(dān)流量調(diào)節(jié)閥、氣動閥門、換向器等設(shè)備的控制;接收計(jì)算機(jī)檢定控制指令,發(fā)送實(shí)時(shí)檢定數(shù)據(jù)[10].

設(shè)置適當(dāng)?shù)耐ㄓ崊f(xié)議是保證通信控制器進(jìn)行正常通訊的基礎(chǔ).通訊協(xié)議設(shè)置如下:波特率格式采用9 600幀,數(shù)據(jù)格式采用8位數(shù)據(jù)位,1位起始位,1位停止位,為使通訊更可靠使用了奇偶校驗(yàn)功能,采用奇校驗(yàn).上位機(jī)檢測出所接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,則丟棄不用,不再給控制器發(fā)信號請求重新發(fā)送數(shù)據(jù),以保證單片機(jī)穩(wěn)定的采樣頻率.

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)為計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),主要用于檢定參數(shù)的設(shè)置和檢定數(shù)據(jù)的管理.通訊軟件的設(shè)計(jì)基于Delphi環(huán)境進(jìn)行開發(fā)[11].其檢定流程圖如圖4.

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)器與被檢流量計(jì)的信號是否同步采集,直接影響兩者的量值比較結(jié)果.質(zhì)量法裝置中,檢定開始和停止信號由換向器發(fā)訊.如圖5所示,檢定開始時(shí),轉(zhuǎn)動換向器使液體流入稱重容器,同時(shí)通過安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的檔板遮擋光電傳感器,光電傳感器輸出信號觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí);檢定過程中電子秤向上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋稱重信號,當(dāng)稱重質(zhì)量達(dá)到設(shè)定的量值時(shí),換向器自動換向使液體流入旁通道,同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí).標(biāo)準(zhǔn)表法裝置中,檢定開始時(shí),控制器自動采集和記錄標(biāo)準(zhǔn)表的初始累積流量,同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí);檢定過程中標(biāo)準(zhǔn)表向上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋累積流量信號,當(dāng)累積流量達(dá)到設(shè)定的量值時(shí),計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí).這樣就簡化了檢定過程的操作程序,提高了檢定效率,實(shí)現(xiàn)了檢定過程的自動化和信號的同步采集.

圖4 檢定流程圖Figure 4 Structure of control system

對采用脈沖信號輸出的流量計(jì),計(jì)算累積流量時(shí),將檢定時(shí)間內(nèi)采集到的累積脈沖個(gè)數(shù)根據(jù)儀表的脈沖當(dāng)量換算成累積流量.對采用4～20 mA電流信號輸出的流量計(jì),按照其對應(yīng)的量程進(jìn)行換算得出瞬時(shí)流量,計(jì)算累積流量采用定時(shí)中斷來進(jìn)行,將每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的累積流量相累積.

圖5 換向器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic for diverters

該系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)均可同步地在測試界面上顯示,并通過分析各動態(tài)采集的數(shù)據(jù),提供給下位機(jī)相關(guān)的控制指令,做到測試進(jìn)程的自動化.此外還提供查詢、打印等功能,利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)保存各種歷史測試數(shù)據(jù).

3.4 檢定結(jié)果

使用該裝置檢定一臺準(zhǔn)確度等級為0.5級、量程為1.6～10 m3/h的渦輪流量計(jì),檢定數(shù)據(jù)如表1.

表1 渦輪流量計(jì)檢定記錄Table 1 Verification recording of turbine flowmeter

經(jīng)多次試驗(yàn),證實(shí)該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,操作簡單,提高了檢定效率.

4 結(jié) 語

本裝置采用了質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的工作原理.該裝置經(jīng)過國家法定機(jī)構(gòu)檢定,質(zhì)量法裝置擴(kuò)展不確定度達(dá)到0.05%(k=2),標(biāo)準(zhǔn)表法裝置擴(kuò)展不確定度達(dá)到0.2%(k=2).上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用Delphi編程技術(shù),通過RS-232接口連接各通訊設(shè)備,實(shí)現(xiàn)檢定過程的自動化.裝置穩(wěn)定可靠,檢定效率高;滿足各種類型的小口徑液體流量計(jì)的檢定、校準(zhǔn),和液體流量計(jì)量、測試研究.

[1]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 164-2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].北京:中國計(jì)量出版社,2000.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 643-2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].北京:中國計(jì)量出版社,2000.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 198-94速度式流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京:中國計(jì)量出版社,1995.

[4]胡 煊.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2008(21):105-106.

[5]蘇彥勛,梁國偉,盛健.流量計(jì)量與測試[M].北京:中國計(jì)量出版社,2007:242-249.

[6]王 池.氣體流量量值溯源體系探討[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2003,14(3):170-173.

[7]鄭建光.直管段長度對孔板流量系數(shù)的影響[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),1999(1):49-53.

[8]孟 濤,王 池,陳曉銘.流量裝置中換向器檢定方法的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2008,29(5):420-422.

[9]沈文新,陸佳穎.用雙計(jì)時(shí)法檢定換向器不確定度的探討[J].自動化儀表,2008,29(6):15-20.

[10]吳 博,黃詠梅,毛謙敏,等.鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17(4):268-271.

[11]李均恒,谷愛昱.一種基于Delphi和A T89S52單片機(jī)的串行通訊模塊的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù),2008,4(9):2779-2781.