蔣克偉，毛謙敏，黃詠梅

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

氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀的研制

蔣克偉，毛謙敏，黃詠梅

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

為了突破實(shí)驗(yàn)室計(jì)量校準(zhǔn)的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)不便送檢氣體流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，特設(shè)計(jì)了氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀.它以兩個(gè)高精度羅茨流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表，輔以數(shù)據(jù)采集與控制模塊、穩(wěn)流裝置及氣源，從而測(cè)出被測(cè)流量計(jì)測(cè)量誤差.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可在(0.5～400)m3/h的流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)1.5級(jí)及以下氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)，裝置的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.5%.

氣體流量；現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)表法

Abstract: In order to break through the limitations of laboratory gas calibration, we designed an on-site gas calibration instrument. The instrument is composed of two high precision roots flowmeters as the standard meter, data acquisition and control modules, the steady flow device and gas source. The error of the gas meter was measured with the instrument. The results show that the device can be used to calibrate gas meters of less than 1.5 grade in the range of 0.5m3/h to 400m3/h. The expanded uncertainty of the device is better than 0.5%.

Keywords: gas flow; field calibration; master meter method

近年來，天然氣、煤改氣、液化石油氣改天然氣等有利于節(jié)能減排的能源的使用，使得膜式燃?xì)獗?、渦輪流量計(jì)、羅茨流量計(jì)的使用量大大增加.這些數(shù)目龐大的流量?jī)x表需要定期送檢，而有些氣體流量計(jì)在使用時(shí)由于各種原因不方便送檢；目前由于政策改變，客戶送檢變?yōu)樗蜋z到客戶，可以提供上門服務(wù)，隨之也形成了計(jì)量校準(zhǔn)市場(chǎng).這就要求校準(zhǔn)裝置既能完成校準(zhǔn)工作又能方便移動(dòng)[1].因此，在測(cè)量氣體的標(biāo)準(zhǔn)裝置中，鐘罩式和PVTt法等由于體積大或者重量較重等原因，尚不能選用，目前具有可行性的是標(biāo)準(zhǔn)表法.國(guó)內(nèi)外移動(dòng)式的標(biāo)準(zhǔn)表法流量校準(zhǔn)裝置大多數(shù)為車載式的，檢定裝置一般要全部或局部放在特制的車上，不能移動(dòng)出汽車；而能夠人工推動(dòng)的還是占少數(shù)，且性能指標(biāo)仍有待改進(jìn).由于流量是導(dǎo)出量，是由長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量、溫度等基本量綜合導(dǎo)出的，使得流量的精度很難達(dá)到1×10-3，常見的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度范圍在0.25%～0.5%[2].

本文基于標(biāo)準(zhǔn)表法，以兩臺(tái)羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表設(shè)計(jì)了一套小巧輕便的校準(zhǔn)儀，解決了當(dāng)前移動(dòng)式氣體流量檢測(cè)裝置體積大，質(zhì)量大的問題，可方便移動(dòng)到計(jì)量使用現(xiàn)場(chǎng)，在擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.5%的前提下，提高了重復(fù)性和自動(dòng)化水平，并縮減了體積.本裝置主要適用于現(xiàn)今使用量最多的準(zhǔn)確度在1.5級(jí)及以下，流量范圍在0.5～400 m3/h以內(nèi)的氣體流量計(jì).

1 裝置工作原理

在同一個(gè)時(shí)間段里，氣體通過標(biāo)準(zhǔn)表和被校準(zhǔn)表的體積流量是相等的，將標(biāo)準(zhǔn)裝置與被校準(zhǔn)表串聯(lián)[3]，按照檢定規(guī)程在軟件界面上設(shè)置好若干個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量若干次，然后通過比較標(biāo)準(zhǔn)表與被校準(zhǔn)表在一段時(shí)間內(nèi)的累積流量值,計(jì)算出示值誤差、重復(fù)性等參數(shù)，從而評(píng)定被校準(zhǔn)表的計(jì)量性能.

圖1為本裝置的簡(jiǎn)化框圖，采用負(fù)壓法，測(cè)試氣體為空氣.氣體通過被校準(zhǔn)表流入穩(wěn)流罐，之后通過人工切換的球形閥進(jìn)入其中一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，接著流入?yún)R集罐，最后經(jīng)離心風(fēng)機(jī)流出.離心風(fēng)機(jī)加裝了變頻器，可以手動(dòng)調(diào)頻改變風(fēng)速.裝置的壓力(P)、溫度(T)及頻率信號(hào)經(jīng)下位機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和打印報(bào)表.

圖1 裝置框架圖Figure 1 Device frame

圖2 裝置工作原理Figure 2 Working principle of the device

如圖2，下位機(jī)負(fù)責(zé)采集溫度、壓力和頻率信號(hào).使用頻率采集模塊采集四路頻率，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)表的頻率和被校準(zhǔn)表的低頻或高頻脈沖(高頻脈沖僅校準(zhǔn)羅茨流量計(jì)時(shí)采集).使用研華4117數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)量模擬信號(hào)，分別測(cè)量被校準(zhǔn)表的溫度壓力，環(huán)境的溫度壓力以及兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表的溫度壓力.對(duì)于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表，如果各使用一個(gè)壓力變送器，成本會(huì)比較高，考慮到同一時(shí)間只用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表或者只開一路球形閥，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表借助三通管可以共用一個(gè)壓力變送器，這樣既節(jié)省成本又具有可行性.溫度、壓力變送器被安裝在被校準(zhǔn)表的后部直管段和標(biāo)準(zhǔn)表的入口處，或者暴露在空氣中用來測(cè)量大氣壓力和環(huán)境溫度.

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是在匹配了標(biāo)準(zhǔn)表尺寸、被校準(zhǔn)表尺寸范圍以及風(fēng)機(jī)的尺寸，并根據(jù)已有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和參考前人所取得的成果后確定的，故具有設(shè)計(jì)上的合理性.它滿足了流量計(jì)對(duì)流場(chǎng)穩(wěn)定的要求，為準(zhǔn)確測(cè)量提供必要條件，并且這樣的結(jié)構(gòu)占用較小的體積.圖3為本文的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 3 Mechanical structure drawing注： ①底板；②進(jìn)氣口(安裝被校準(zhǔn)表處)；③穩(wěn)流罐；④球形閥；⑤標(biāo)準(zhǔn)表；⑥匯集罐；⑦離心風(fēng)機(jī)；⑧控制平臺(tái).

3 電路設(shè)計(jì)及元器件的選擇

3.1 電路設(shè)計(jì)

為本裝置設(shè)計(jì)了一套頻率采集模塊，用于采集四路頻率信號(hào).頻率采集模塊的主控MCU采用C8051F350單片機(jī)，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：高達(dá)50MHz的最大頻率，768字節(jié)(256+512)的內(nèi)部RAM，PCA以及多個(gè)16位定時(shí)器，還有多種方式可進(jìn)行時(shí)鐘頻率的快速切換.頻率采集模塊的具體設(shè)計(jì)，是將C8051F350單片機(jī)的定時(shí)器0和PCA擴(kuò)展為中斷，與已有的兩個(gè)中斷共同采集頻率(F1～F4)，定時(shí)器1產(chǎn)生串口通訊的波特率，定時(shí)器2產(chǎn)生分辨率為0.000 1s的時(shí)間基準(zhǔn),每個(gè)頻率采集點(diǎn)需記錄下相對(duì)時(shí)間，以便雙計(jì)時(shí)法的計(jì)算.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率采集模塊性能良好，滿足使用要求，圖4為C8051F350芯片管腳的具體連接.

圖4 頻率采集模塊設(shè)計(jì)Figure 4 Design of frequency collection

在采集頻率信號(hào)之前需要對(duì)每路輸入頻率進(jìn)行電氣隔離，圖5中的U10為頻率采集前的一路光電隔離電路圖.F4-始終接低電平，F(xiàn)4+接頻率輸入.U3E為施密特觸發(fā)器，能阻止因輸入電壓出現(xiàn)微小變化而引起的輸出電壓的改變，和慮除信號(hào)上出現(xiàn)的附加噪聲，把信號(hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào).另外，選用的24V電壓源不僅可以為標(biāo)準(zhǔn)表和被校準(zhǔn)表提供電源，也可以為4117和頻率采集模塊提供電源.

圖5 電氣隔離及波形處理Figure 5 Electrical isolation and waveform processing

3.2 元器件的選擇

溫度變送器和壓力變送器輸出的信號(hào)是4～20 mA模擬量，選用研華4117模塊采集電流并通過RS485串口輸出到上位機(jī)[4].對(duì)羅茨流量計(jì)的校準(zhǔn)，使用ER2-22激光探頭對(duì)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)計(jì)量轉(zhuǎn)子進(jìn)行頻率細(xì)分，就得到前面提到的高頻脈沖，以增加羅茨流量計(jì)的分辨率，激光探頭輸出頻率為被校準(zhǔn)羅茨流量計(jì)自帶頻率輸出的2倍，這樣可以將對(duì)羅茨流量計(jì)的校準(zhǔn)時(shí)間縮短一半，明顯加快了校準(zhǔn)速度.

溫度計(jì)采取PT100，量程為0～50 ℃，分辨率為0.1°，精度為0.1%；差壓變送器量程為0～0.5 kPa，精度為0.075%，大氣壓力傳感器量程為80～120 kPa，精度為0.1%.氣源風(fēng)機(jī)選用德國(guó)伊萊克羅HRD風(fēng)機(jī)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，帶變頻器，需要的起動(dòng)電流小，調(diào)速平滑性好、精度高，其容積流量為600 m3/h，總壓差為4.90 kPa，重量小、性價(jià)比高，能耗低.

標(biāo)準(zhǔn)表的選擇較為苛刻，兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表均采用羅茨流量計(jì)，是因?yàn)樗哂辛砍瘫却?、始?dòng)流量小、重復(fù)性小、對(duì)流場(chǎng)環(huán)境要求較低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn).針對(duì)不同流量點(diǎn)，選用量程與校準(zhǔn)點(diǎn)接近的標(biāo)準(zhǔn)表，要求兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表在量程上有明顯梯度，兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表的流量范圍選用0.5～25 m3/h和2.5～400 m3/h[5]，具體參數(shù)如表1.當(dāng)校準(zhǔn)的流量點(diǎn)的流量值低于25 m3/h時(shí)，使用RM-50(Z)測(cè)量；當(dāng)校準(zhǔn)的流量點(diǎn)的流量值大于等于25 m3/h時(shí)，使用RM-100(Z)測(cè)量.

表1 標(biāo)準(zhǔn)表具體參數(shù)

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 雙計(jì)時(shí)法原理

若以標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)行為準(zhǔn)，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)行T1時(shí)間，則被校準(zhǔn)表也運(yùn)行T1時(shí)間，但是在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，頻率采集模塊直接采得的被校準(zhǔn)表的脈沖數(shù)只有N1，時(shí)間為T2，被校準(zhǔn)表實(shí)際的脈沖數(shù)和時(shí)間為N2和T1.考慮到在流速穩(wěn)定的前提下，被校準(zhǔn)流量計(jì)的脈沖周期頻率是一定的，因此采用線性插值的方法:

.

(1)

由(1)式可以看出，雙計(jì)時(shí)法的采用解決了計(jì)數(shù)不同步的問題，以標(biāo)準(zhǔn)表為準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和時(shí)間的測(cè)量先是準(zhǔn)確的，被校準(zhǔn)表用雙計(jì)時(shí)法得到與標(biāo)準(zhǔn)表同步的脈沖和時(shí)間.雙計(jì)時(shí)法原理如圖6.

4.2 軟件設(shè)計(jì)框圖

使用LabVIEW對(duì)上位機(jī)編程，使用C語言對(duì)下位機(jī)頻率采集器里的C8051F350編程.由嵌入在系統(tǒng)里的單片機(jī)和研華4117采集、處理數(shù)據(jù)，通過串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理后傳給顯示器或者硬盤.軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7.

4.3 流量計(jì)計(jì)量校準(zhǔn)指標(biāo)的計(jì)算

參照計(jì)量檢定規(guī)程[6-8]，不同的流量計(jì)應(yīng)按不同的算法處理.

1)對(duì)于脈沖量輸出的速度式和容積式流量計(jì)，應(yīng)按下面要求處理有關(guān)數(shù)據(jù)：

圖6 雙計(jì)時(shí)法原理圖Figure 6 Principle diagram of double timing method

a. 流量計(jì)的基本誤差：

其它符號(hào)含義同前.

(2)

式(2)中：EL—被校準(zhǔn)表的基本誤差；δa—裝置系統(tǒng)誤差；δL—被校準(zhǔn)表的線性度.

b. 每個(gè)流量校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)性：

(3)

式(3)中：(Er)i—第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)性；kij—第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)被校準(zhǔn)流量計(jì)的儀表系數(shù)，1/m3；ki—第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)的儀表系數(shù)，1/m3.

②若被校準(zhǔn)表是容積式的：

(4)

式(4)中，dn—極差法系數(shù)，根據(jù)第i校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)次數(shù)n，由極差法系數(shù)表確定.

圖7 軟件流程圖Figure 7 Software flow chart

2)對(duì)于就地指示和(標(biāo)準(zhǔn))流量脈沖信號(hào)輸出的流量計(jì)，應(yīng)按下列步驟計(jì)算有關(guān)參數(shù)：

a.第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)得到的示值誤差：

(5)

式(5)中：Vsij—第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)表的體積量，m3；Vmij—第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)被校準(zhǔn)流量計(jì)的累積流量，m3.

b. 流量計(jì)第i流量校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差：

(6)

c. 流量計(jì)第i流量點(diǎn)的重復(fù)性Eri：

(7)

式(7)中：(δij)max—第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)中示值誤差的最大值； (δij)min—第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)中示值誤差的最小值；dn—極差法系數(shù)，含義同前.

對(duì)于基本誤差采用流量范圍分段考核的流量計(jì)，按照上述方法分段求解即可.具體算法請(qǐng)參考計(jì)量檢定規(guī)程JJG633-2005、JJG1037-2008和JJG577-2012.

5 測(cè)量特性分析

5.1 裝置示值誤差和重復(fù)性

以兩臺(tái)精度等級(jí)為0.05級(jí)量程為0.5～25 m3/h和2.5～400 m3/h的高精度等級(jí)羅茨流量計(jì)作為被校準(zhǔn)表或真值，比照該高精度等級(jí)羅茨流量計(jì)的原始檢定報(bào)告，使用本裝置測(cè)量得到本裝置的示值誤差和重復(fù)性情況.

圖8和圖9為校準(zhǔn)該高精度羅茨流量計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，每個(gè)流量點(diǎn)校準(zhǔn)3次后取平均.從校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以看出，該校準(zhǔn)儀測(cè)得的示值誤差的絕對(duì)值小于0.5%，與被校準(zhǔn)流量計(jì)的計(jì)量特性是一致的；測(cè)得的重復(fù)性小于等于0.02%，小于期望的測(cè)量不確定度，符合設(shè)計(jì)要求.

圖8 本裝置的示值誤差Figure 8 Error of indication for the device

圖9 本裝置的重復(fù)性Figure 9 Repeatability of the device

5.2 裝置不確定度的評(píng)定

以羅茨流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，讓氣體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被校準(zhǔn)流量計(jì)，比較兩者的輸出流量值[9]，并且涉及到溫度和壓力的補(bǔ)償，氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀不確定度一覽表如表2.

表2 氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀不確定度一覽表[10]

另外，計(jì)時(shí)器、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)量不確定度較小可忽略不計(jì).

.

(8)

通過式(8)可得氣體流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)儀的合成不確定度u=0.172%，取包含因子k=2，則本裝置的擴(kuò)展不確定度U=ku≈0.34%.

6 結(jié) 論

我們研制的整套裝置具有體積小、重量輕、易于移動(dòng)且重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題.模塊化設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)過程減少人為干預(yù)，自動(dòng)化程度高.裝置的擴(kuò)展不確定度為U=0.34%(k=2)，優(yōu)于0.5%.整套裝置滿足最初的設(shè)計(jì)要求.雖然已經(jīng)滿足了設(shè)計(jì)要求，但是由于工作量的原因，機(jī)械結(jié)構(gòu)尚未經(jīng)過最優(yōu)化處理則為后續(xù)改進(jìn)留下了空間.

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Developmentofon-sitegasflowcalibrationinstruments

JIANG Kewei, MAO Qianmin, HUANG Yongmei

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

2096-2835(2017)03-0306-07

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.007

2017-05-05 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址zgjl.cbpt.cnki.net

TB937

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