高 科,趙偉國(guó)

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

超聲水表流量標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 科,趙偉國(guó)

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

針對(duì)目前傳統(tǒng)流量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置在超聲水表檢定過(guò)程中存在的檢定效率低、小流量精度低、流速不穩(wěn)定等問(wèn)題,提出了一種高精度組合型的超聲水表流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.該裝置以PLC作為硬件控制中心,采用靜態(tài)質(zhì)量法與標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了超聲水表的可靠檢定;同時(shí)在裝置中串聯(lián)3臺(tái)被檢表,以提高檢定的效率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置測(cè)量的擴(kuò)展不確定度低于0.4%,參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求.

超聲水表;檢定裝置;控制系統(tǒng);不確定度;雙時(shí)間法

超聲水表是基于超聲波原理實(shí)現(xiàn)水流量計(jì)量的電子儀表,與傳統(tǒng)水表相比具有精度高、可靠性好、量程比寬、無(wú)可動(dòng)部件、使用壽命長(zhǎng)、壓損小及任意角度安裝等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、液體運(yùn)輸及居民生活等方面.目前超聲水表的出廠檢定基本采用傳統(tǒng)的流量計(jì)檢定方法,導(dǎo)致出廠檢定中的效率低與小流量精度低等問(wèn)題,無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求[1-2].

針對(duì)上述問(wèn)題,本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》[3]和《JJG 162—2009冷水水表檢定規(guī)程》[4],以PLC作為硬件控制中心,提出了一種高精度組合型超聲水表流量標(biāo)準(zhǔn)裝置.該裝置以靜態(tài)質(zhì)量法與標(biāo)準(zhǔn)表法結(jié)合的方式,在裝置中串聯(lián)3臺(tái)被檢超聲水表，從而有效地保證了超聲水表的檢定效率,提高了水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的可靠性、準(zhǔn)確度和流量測(cè)量范圍.

1 標(biāo)準(zhǔn)表法和靜態(tài)質(zhì)量法流量檢定原理

標(biāo)準(zhǔn)表法是基于流體力學(xué)的連續(xù)性方程,以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)(可以是速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、臨界流流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和熱能表)作為流量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢定流量計(jì)的方法.當(dāng)流量滿足條件后,通過(guò)將流體依次通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表,在相同的時(shí)間間隔內(nèi),記錄標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表的流量累計(jì),比較兩者的累計(jì)流量值,從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能[5].

靜態(tài)質(zhì)量法是在額定時(shí)間內(nèi),以檢測(cè)流過(guò)被檢表流量的流體質(zhì)量來(lái)判定性能的方法.在相同的時(shí)間間隔內(nèi),通過(guò)將電子秤的累加質(zhì)量換算為體積,進(jìn)而與被檢表流過(guò)的體積進(jìn)行比較,得到被檢表的精度及重復(fù)性等參數(shù)的方法[6].

2 裝置的性能指標(biāo)和系統(tǒng)組成

本超聲水表檢定裝置由傳統(tǒng)的靜態(tài)質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法結(jié)合而成[7-8],測(cè)量的超聲水表管徑為DN80-DN200,流量范圍為0.4 m3/h至1 250 m3/h.當(dāng)檢定流量低于4 m3/h,采用靜態(tài)質(zhì)量法保證了被檢表的精度;當(dāng)流量高于4 m3/h時(shí),通過(guò)選擇精度等級(jí)較高的3個(gè)電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,能夠滿足檢定點(diǎn)的要求.在被檢表位置處,通過(guò)滾輪實(shí)現(xiàn)不同管道的切換,以保證不同管徑超聲水表的檢定.

由于超聲水表的量程比寬,本系統(tǒng)選擇了2套水泵和變頻器作為動(dòng)力源:在檢定流量低于300 m3/h時(shí),選擇第1套水泵和變頻器提供動(dòng)力;在檢定流量高于300 m3/h時(shí),選擇第2套水泵和變頻器提供動(dòng)力.通過(guò)2套動(dòng)力源,有效地保證了檢定點(diǎn)流量的可調(diào)性及可靠性.

由于超聲水表是無(wú)任何活動(dòng)部件的流量計(jì),本裝置采用將3臺(tái)相同口徑的超聲水表串聯(lián)到檢定裝置中,超聲水表之間的管徑長(zhǎng)度符合相關(guān)檢定規(guī)程的要求,能夠有效提高檢定效率且檢定精度不會(huì)降低.裝置示意圖如圖1.

圖1 裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of facility

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件由一臺(tái)工控機(jī)、一臺(tái)PLC、相關(guān)AD、DA模塊及外部電路組成.上位機(jī)軟件通過(guò)485串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)電子秤值的讀取.通過(guò)FX2N-485BD模塊實(shí)現(xiàn)與FX2N系列PLC的通信,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以下功能:通過(guò)脈沖處理電路實(shí)現(xiàn)讀取標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表累計(jì)脈沖的處理和采集;通過(guò)輸出閥門驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出閥門的控制;通過(guò)AD模塊讀取溫度、壓力、標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表的瞬時(shí)量;并通過(guò)DA模塊對(duì)變頻器頻率及調(diào)節(jié)閥閥值進(jìn)行控制.系統(tǒng)硬件控制圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)硬件控制圖Figure 2 Diagram of the system hardware control

3.1 脈沖采集及處理部分

在脈沖采集時(shí),采用雙時(shí)間法能夠有效地保證脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確性[9].在流量計(jì)流速穩(wěn)定的情況下,輸出準(zhǔn)確的脈沖數(shù)為

(1)

式(1)中:N—計(jì)數(shù)器記錄下的流量計(jì)脈沖數(shù);N1—經(jīng)過(guò)雙時(shí)間法得到的脈沖數(shù);T1—從檢測(cè)時(shí)間開(kāi)始到檢測(cè)時(shí)間截止信號(hào)的時(shí)間間隔;T2—從檢測(cè)時(shí)間開(kāi)始后第一個(gè)上升沿到檢定時(shí)間結(jié)束后第一個(gè)上升沿停止的時(shí)間.雙時(shí)間法原理圖如圖3.

圖3 雙時(shí)間原理圖Figure 3 Dual-time schematic diagram

在流量計(jì)使用過(guò)程中,輸出的為0～5 V或者0～24 V電壓脈沖信號(hào),而本PLC能夠識(shí)別的為開(kāi)關(guān)量的脈沖信號(hào).因此,通過(guò)脈沖處理電路實(shí)現(xiàn)電壓脈沖信號(hào)到開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換.電路輸入包括流量計(jì)的電壓脈沖信號(hào)和控制檢定信號(hào),電路輸出為PLC可以識(shí)別的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)和雙時(shí)間法T2的計(jì)時(shí)信號(hào).在脈沖處理電路中通過(guò)信號(hào)驅(qū)動(dòng)與光電隔離及非門處理,實(shí)現(xiàn)了輸入脈沖信號(hào)的濾波和整形,保證了輸入信號(hào)的可靠性.通過(guò)將輸入脈沖信號(hào)和控制檢定信號(hào)通過(guò)D觸發(fā)器和與門處理,保證了只有控制檢定信號(hào)有效時(shí),輸出脈沖信號(hào)和雙時(shí)間T2信號(hào)才能輸出有效信號(hào).脈沖處理電路原理圖如圖4.

圖4 脈沖處理電路原理圖Figure 4 Principle diagram of pulse processing circuit

在雙時(shí)間法的原理上,PLC實(shí)現(xiàn)脈沖采集、雙時(shí)間法T1和T2的時(shí)間計(jì)時(shí),采用X0、X1、X2、X3、X4、X5，分別作為標(biāo)準(zhǔn)表1、標(biāo)準(zhǔn)表2、標(biāo)準(zhǔn)表3、被檢表1、被檢表2、被檢表3的脈沖采集端口,當(dāng)控制檢定信號(hào)有效時(shí),PLC的X10、X11、X12、X13、X14、X15，分別是標(biāo)準(zhǔn)表1、標(biāo)準(zhǔn)表2、標(biāo)準(zhǔn)表3、被檢表1、被檢表2、被檢表3的T2進(jìn)行計(jì)時(shí)的輸入信號(hào),同時(shí)內(nèi)部計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)T1的準(zhǔn)確計(jì)時(shí).通過(guò)式(1)可以實(shí)現(xiàn)脈沖的準(zhǔn)確計(jì)數(shù).脈沖采集接線圖如圖5.

圖5 脈沖采集接線圖Figure 5 Pulse acquisition wiring diagram

3.2 AD輸入轉(zhuǎn)換部分

在超聲水表檢定系統(tǒng)中,需要時(shí)時(shí)采集溫度、壓力、標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表的瞬時(shí)值等,然而由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性,極有可能出現(xiàn)瞬間沖擊電流,進(jìn)而有可能損壞PLC的AD模塊.因此,本系統(tǒng)采用了AD輸入轉(zhuǎn)換電路,通過(guò)將傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)通過(guò)250 Ω的精密電阻產(chǎn)生一個(gè)1～5 V的電壓信號(hào),信號(hào)經(jīng)TVS管保護(hù)及電容濾波之后,保證了PLC的AD模塊進(jìn)行瞬時(shí)量讀取的安全性.AD輸入轉(zhuǎn)換電路如圖6.

圖6 AD輸入轉(zhuǎn)換電路Figure 6 AD input conversion circuit

3.3 輸出閥門驅(qū)動(dòng)部分

在系統(tǒng)使用中,需要同時(shí)打開(kāi)多個(gè)開(kāi)關(guān)閥,然而PLC的輸出IO口的驅(qū)動(dòng)能力有限,無(wú)法滿足多個(gè)開(kāi)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)電流的要求.因此采用輸出閥門驅(qū)動(dòng)電路可以解決輸出驅(qū)動(dòng)電流不足的問(wèn)題.輸出閥門驅(qū)動(dòng)原理圖如圖7.

圖7 輸出閥門驅(qū)動(dòng)原理圖Figure 7 Drive schematic of output value

4 軟件控制系統(tǒng)

4.1 上位機(jī)軟件

超聲水表檢定裝置上位機(jī)軟件是采用LabVIEW語(yǔ)言編寫的,大體上包括被檢表參數(shù)的設(shè)置、流量點(diǎn)的設(shè)置、檢定界面控制、標(biāo)準(zhǔn)表參數(shù)設(shè)置,以及歷史數(shù)據(jù)的查詢及打印等界面.

當(dāng)用戶輸入正確的用戶名和密碼之后,進(jìn)入主界面,首先需要進(jìn)行被檢表參數(shù)設(shè)置,包括有被檢流量計(jì)類型、口徑、輸出信號(hào)型式、脈沖當(dāng)量等內(nèi)容;其次按照檢定要求設(shè)置檢定流量點(diǎn)Q1、Q2、Q3和Q4,針對(duì)流量計(jì)類型及口徑的不同,流量計(jì)的檢定點(diǎn)也不同,因此在流量點(diǎn)設(shè)置界面,包括流量點(diǎn)的增加、修改、刪除等功能.

進(jìn)入開(kāi)始檢定界面后,檢定界面包含的內(nèi)容有標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的瞬時(shí)量及累計(jì)量的顯示,所有閥門的開(kāi)關(guān)控制,穩(wěn)壓罐溫度及壓力值的顯示,以及連接設(shè)備、狀態(tài)記憶、狀態(tài)恢復(fù)、開(kāi)始檢定及取消檢定等按鍵選擇.狀態(tài)記憶是指當(dāng)流量滿足檢定要求時(shí),能夠?qū)⒆冾l器及調(diào)節(jié)閥的值記錄下來(lái),在下一次對(duì)同一流量點(diǎn)進(jìn)行檢定時(shí),只要按下?tīng)顟B(tài)恢復(fù)按鍵,變頻器及調(diào)節(jié)閥的值就能夠從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出來(lái),從而保障了檢定的效率.最后通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查詢和打印界面可以對(duì)流量計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢及打印.LabVIEW軟件流程圖如圖8.

圖8 LabVIEW軟件流程圖Figure 8 Flow chart of LabVIEW software

4.2 下位機(jī)軟件

本裝置采用的硬件控制中心為FX2N系列的PLC,通過(guò)軟件GX-developer編寫的梯形圖實(shí)現(xiàn),在程序初始化時(shí),需要設(shè)置與PC機(jī)之間的通信格式,將所有的寄存器初始化等操作.脈沖及時(shí)間采集是在上位機(jī)發(fā)出檢定命令后,PLC開(kāi)始記錄標(biāo)準(zhǔn)表及被檢表的脈沖數(shù)N及檢測(cè)時(shí)間開(kāi)始到檢測(cè)時(shí)間截止信號(hào)的時(shí)間間隔T1.輸出開(kāi)關(guān)閥門控制是通過(guò)上位機(jī)控制內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)輸出24 V的電壓信號(hào).

AD模擬量采集包括標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的瞬時(shí)流量、溫度及壓力值.DA模塊輸出是通過(guò)上位機(jī)的控制,實(shí)現(xiàn)變頻器頻率及調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制.PLC程序模塊圖如圖9.

圖9 PLC程序模塊圖Figure 9 Module diagram of PLC program

5 裝置不確定度的評(píng)定

按照國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)超聲水表檢定裝置不確定度進(jìn)行如下分析[10].

5.1 靜態(tài)質(zhì)量法不確定度

靜態(tài)質(zhì)量法合成不確定度數(shù)學(xué)模型為

(2)

表1 靜態(tài)質(zhì)量法裝置不確定度

Table 1 Uncertainty of static mass method

%

通過(guò)公式(2),靜態(tài)質(zhì)量法合成不確定度為:

uc=0.0662%.

取覆蓋因子k=2,則裝置的靜態(tài)質(zhì)量法擴(kuò)展不確定度U=kuc≈0.13%.

5.2 標(biāo)準(zhǔn)表法不確定度

以電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器,使流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì),比較兩者的輸出流量值,標(biāo)準(zhǔn)表法合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(3)

式(3)中:u1—電磁流量計(jì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(按瞬時(shí)流量使用時(shí));u2—檢定電磁流量計(jì)的上一級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;u3—測(cè)量時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定;u4—測(cè)量時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定;u5—標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定和使用的流體條件不同時(shí)引起的流量測(cè)量不確定度;u6—數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理及通信不確定度所引起的流量測(cè)量不確定度;u7—流量計(jì)檢定時(shí)的流量條件與使用時(shí)不一致,其影響引起的流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度.

表2 標(biāo)準(zhǔn)表法裝置不確定度

Table 2 Uncertainty of master meter method

%

其中u5=u6=u7=0,通過(guò)公式(3),標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)法合成不確定度為

u=0.174%.

取覆蓋因子k=2,則裝置的標(biāo)準(zhǔn)表法擴(kuò)展不確定度U=ku≈0.35%.

裝置不確定取靜態(tài)稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法中的較大者.因此,本裝置的擴(kuò)展不確定度為0.35%,可以對(duì)2級(jí)的超聲水表進(jìn)行出廠檢定.

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)了一種高效組合型超聲水表檢定裝置,采用上位機(jī)LabVIEW軟件和下位機(jī)PLC能夠?qū)崿F(xiàn)3臺(tái)超聲水表的同時(shí)檢定.通過(guò)裝置的不確定度評(píng)定,其擴(kuò)展不確定度低于0.4%,能夠?qū)Τ曀磉M(jìn)行可靠檢定并具有較高的檢定效率.

[1] 姚靈.我國(guó)智能水表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究與構(gòu)建[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化,2013(7):66-70. YAO Ling. Research and construction of smart water meter technical standard system in China[J].China Standardization,2013(7):66-70.

[2] 王宗輝,張世豪,姚靈.智能水表技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].儀表技術(shù),2014(6):45-48. WANG Zonghui, ZHANG Shihao, YAO Ling. Smart water meter technology and its development trend[J].Instrumentation Technology,2014(6):45-48.

[3] 國(guó)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(guó)計(jì)量出版社,2003.

[4] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG 162—2009,冷水水表檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2009.

[5] 涂波,李曉明,葉凌云,等.高精度標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)準(zhǔn)裝置研究[J].機(jī)電工程,2015(3):307-311.TU Bo, LING Xiaoming, YE Lingyun, et al. Standard facility with high precision using master meter method[J].Journal Of Mechanical & Electrical Engineering,2015(3):307-311.

[6] 劉楠峰.基于靜態(tài)質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法的[D].重慶:西南交通大學(xué),2012. LIU Nanfeng. The designs of standard facilities for liquid flowrate based on static mass method and master meter method[D].Chongqing: Southwest Jiaotong University,2012.

[7] 楊煥彩.基于LabVIEW的流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)研究[D].西安:西北農(nóng)林科技大學(xué),2009. YANG Huancai. Research on calibration of flowmeter system with LabVIEW[D].Xian: Northwest A&F University,2009.

[8] 吉紅.基于MCGS的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].天津:天津大學(xué),2005. JI Hong. A study on the computer control system for water flow Calibration facilities based on MCGS[D].Tianjing: Tianjing University,2005.

[9] 梁國(guó)偉,趙蓓茁.雙時(shí)間法在脈沖型流量傳感器檢定中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2002(1):51-55. LIANG Guowei, ZHAO Beizhuo. The application of the dual-time method in calibrations of the pulse-type flow transducers[J].Journal Of China University Of Metrology,2002(1):51-55.

[10] 蘇彥勛.流量計(jì)量與測(cè)試[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2007:331-349.

Design of a calibration facility system for ultrasonic water meters

GAO Ke, ZHAO Weiguo

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In order to solve the shortcomings of low calibration efficiency, low precision in small flow and flow instability in the process of ultrasonic water meter calibration, a calibration facility based on PLC, with high-precision and composition method was designed. The static mass method and master meter method were employed. Three ultrasonic water meters were installed in series to improve calibration efficiency. The experimental data shows that the uncertainty of the measurement is less than 0.4% and the measurement results reach the technical requirements.

ultrasonic water meter; calibration facility; control system; measurement uncertainty; dual-time method

1004-1540(2015)03-0258-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.002

2015-04-16 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

高 科(1990- )，男，陜西省戶縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與智能儀器究.E-mail:ywzqgk@126.com 通訊聯(lián)系人：趙偉國(guó)，男，副教授．E-mail:zjufriendly@163.com

TH814

A