崔艷文

摘? 要：通過對MF1型流量顯示儀工作原理及使用中測量誤差產(chǎn)生原因的分析，提出一種便于操作的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。調(diào)整顯示儀閘門時(shí)間，使其與流量計(jì)儀表系數(shù)相匹配來修正測量誤差。同時(shí)校正顯示儀模擬輸出信號，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)、顯示儀和計(jì)算機(jī)（或其他測量設(shè)備）的整體系統(tǒng)校準(zhǔn)。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證該校準(zhǔn)方法的可行性及顯示儀系統(tǒng)校準(zhǔn)的必要性。

關(guān)鍵詞：流量顯示儀? 系統(tǒng)校準(zhǔn)? 儀表系數(shù)? 閘門時(shí)間? 模擬輸出

中圖分類號：TH814? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0066-04

Absrtact： Based on the analysis of the working principle of MF1 type flow display instrument and? the cause of measurement error in use， a convenient system calibration method is put forward. Adjust the gate-time of the display device so that it matches the meter coefficient of the Flowmeter to correct the measurement error. At the same time， the analog output signal of the display instrument is corrected， and the whole system calibration of the Flowmeter， the display instrument and the computer （or other measuring equipment） is realized. Finally， the feasibility of calibration method and the necessity of system calibration of display instrument are verified by experiments.

Key Words： Flow display instrument; System calibration; Instrument coefficient; Gate-time; Analog output

MF1型流量顯示儀（以下簡稱顯示儀）是德國威仕公司（VSE）生產(chǎn)的一種脈沖輸入型流量顯示儀表，與該公司VS型流量傳感器（以下簡稱流量計(jì)）配套使用，作為流量測試系統(tǒng)的主體。一般在實(shí)際工作中，顯示儀和流量計(jì)是分開單獨(dú)校準(zhǔn)，使用時(shí)按量程匹配的原則直接連接進(jìn)行測量。由于沒考慮到流量計(jì)性能變化的影響，這樣的測量結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的，存在測量誤差。配套使用的流量測試系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行配套校準(zhǔn)才能保證測量的準(zhǔn)確度。但是，配套校準(zhǔn)的方法受條件限制，不易實(shí)現(xiàn)。那么怎樣才能解決由于顯示儀和流量計(jì)分開校準(zhǔn)而在實(shí)際應(yīng)用中造成的測量誤差問題，達(dá)到配套校準(zhǔn)的效果。該文提出一種便于操作、效率高，在實(shí)驗(yàn)室即可完成的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。

1? 顯示儀的工作原理

MF1型流量顯示儀原理框圖如圖1所示。顯示儀采集與之配套流量計(jì)輸出的兩路相位差90°脈沖信號，將其轉(zhuǎn)換為4倍脈沖頻率。在閘門信號的取樣時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，將取樣時(shí)間內(nèi)計(jì)入的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量并顯示。顯示儀同時(shí)輸出與流量對應(yīng)的模擬電壓或電流信號和流量方向識別信號。

2? 測量誤差產(chǎn)生原因分析

由顯示儀工作原理知，閘門時(shí)間決定流量示值。顯示儀閘門時(shí)間根據(jù)流量量程及小數(shù)位數(shù)已在出廠時(shí)設(shè)置好，并顯示于儀表側(cè)面。以40L量程的顯示儀為例，儀表參數(shù)見圖2。

圖2除標(biāo)明閘門時(shí)間還包括顯示儀量程、配套流量計(jì)量程、流量計(jì)輸出頻率范圍，以及模擬輸出信號類型和范圍，這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)、對應(yīng)的。將圖2參數(shù)應(yīng)用到流量測試系統(tǒng)中，信號的傳輸與參數(shù)對應(yīng)關(guān)系見圖3。

以圖3數(shù)據(jù)為例，正常情況下，流量測試系統(tǒng)中各參數(shù)間滿足圖3的要求。那么流量計(jì)、顯示儀、計(jì)算機(jī)三者之間的流量示值一致。但在實(shí)際應(yīng)用中，流量計(jì)因長期使用出現(xiàn)磨損、腐蝕、老化等原因，造成流量計(jì)性能變化，儀表系數(shù)K（通過流量計(jì)的單位體積流量所對應(yīng)的信號脈沖數(shù)，單位：1/L）發(fā)生改變。根據(jù)流量方程：Q=f/K，流量Q不變，系數(shù)K改變，頻率f也必然改變。但是顯示儀是出廠時(shí)設(shè)置的閘門時(shí)間T（0.6s）、流量Q（40L）和頻率f（1666.7Hz）的這種確定對應(yīng)關(guān)系。所以，性能改變后的流量計(jì)儀表系數(shù)K與顯示儀閘門時(shí)間系數(shù)T不匹配，出現(xiàn)流量顯示誤差。同時(shí)模擬輸出信號偏離標(biāo)稱值，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)采集的信號產(chǎn)生誤差。

3? 系統(tǒng)校準(zhǔn)修正測量誤差

3.1 校準(zhǔn)方法

由以上分析可知，顯示儀與流量計(jì)示值不一致的原因是顯示儀閘門時(shí)間系數(shù)和流量計(jì)儀表系數(shù)不匹配所致。那么將兩者調(diào)成匹配，就可解決測量誤差問題。流量計(jì)的儀表系數(shù)K是根據(jù)測得的頻率與對應(yīng)流量值計(jì)算的數(shù)據(jù)，VS系列流量計(jì)無調(diào)節(jié)功能，只能調(diào)節(jié)顯示儀閘門時(shí)間系數(shù)，使兩者系數(shù)匹配。根據(jù)流量計(jì)最近一次校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定顯示儀閘門時(shí)間系數(shù)并調(diào)整。閘門時(shí)間系數(shù)出廠時(shí)已根據(jù)流量量程及小數(shù)顯示位數(shù)設(shè)置好，系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)只需根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。然后用標(biāo)準(zhǔn)源模擬流量計(jì)輸出信號，校正顯示儀模擬輸出電壓或電流信號，即可修正測量誤差，確保流量測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此方法既實(shí)現(xiàn)了配套系統(tǒng)校準(zhǔn)，又簡單、便于操作。

3.2 閘門時(shí)間的計(jì)算方法與調(diào)整

由圖1的原理圖可知，顯示儀采集4倍流量計(jì)頻率信號，在設(shè)定的閘門時(shí)間內(nèi)將計(jì)得的脈沖數(shù)作為流量顯示。因此流量、頻率和閘門時(shí)間之間的關(guān)系可用公式（1）表示。

公式（1）是根據(jù)流量計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)中某個(gè)測量點(diǎn)的流量和頻率值計(jì)算的閘門時(shí)間。由于流量計(jì)存在非線性，每個(gè)測量點(diǎn)的儀表系數(shù)是不同的，顯示儀無法對每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行誤差修正。為了兼顧量程內(nèi)每個(gè)測量點(diǎn)，選擇用流量計(jì)平均儀表系數(shù)作為計(jì)算閘門時(shí)間的最佳方法。但是平均儀表系數(shù)值沒有對應(yīng)的流量和頻率數(shù)據(jù)，無法用公式（1）計(jì)算閘門時(shí)間。

由流量計(jì)的流量方程Qz=fz=fz/K，則K=fz=fz/Qz，則公式（1）可變換為：

式中：T為用流量計(jì)儀表系數(shù)計(jì)算的閘門時(shí)間，s;

K為流量計(jì)儀表系數(shù)。

閘門時(shí)間的計(jì)算結(jié)果為a×10-n，因?yàn)榱髁苛砍毯惋@示位數(shù)的關(guān)系，閘門時(shí)間計(jì)算結(jié)果需乘以10n-1才是實(shí)際所需的閘門時(shí)間系數(shù)。但是用VS0，01、VS0，1、VS1、VS10型號的流量計(jì)儀表系數(shù)計(jì)算的閘門時(shí)間需乘以10n。使用時(shí)有個(gè)快速判斷閘門時(shí)間的方法，顯示儀銘牌上標(biāo)有閘門時(shí)間的標(biāo)稱值，使小數(shù)點(diǎn)移動(dòng)后的數(shù)值接近閘門時(shí)間標(biāo)稱值即可。

閘門時(shí)間由6位撥碼開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)表示的小數(shù)位見圖4。閘門時(shí)間可以調(diào)整的范圍是0.00001～9.99999s。將計(jì)算的閘門時(shí)間按圖4小數(shù)位對齊依次撥碼置數(shù)。

3.3 模擬輸出信號校準(zhǔn)方法

顯示儀的模擬輸出信號連接計(jì)算機(jī)或其他測量設(shè)備，對流量信號進(jìn)行采集、進(jìn)一步處理或控制。計(jì)算機(jī)是根據(jù)模擬輸出信號的標(biāo)稱值與流量的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定的，所以模擬輸出電壓或電流值必須準(zhǔn)確。顯示儀閘門時(shí)間調(diào)整后，流量與頻率的對應(yīng)關(guān)系改變，模擬輸出電壓或電流也隨之改變，需要重新將其校準(zhǔn)為標(biāo)稱值，否則計(jì)算機(jī)會出現(xiàn)測量誤差。

流量計(jì)的輸出信號為兩路相位差90°的脈沖信號。選擇符合要求的標(biāo)準(zhǔn)源模擬流量計(jì)輸出信號。要求脈沖幅值5V左右，頻率范圍：0～2000Hz，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-5。

以信號發(fā)生器模擬流量計(jì)輸出脈沖信號，接線方法見圖5。信號發(fā)生器的兩路輸出信號分別連接顯示儀的K1和K2輸入端，顯示儀模擬輸出端連接數(shù)字多用表進(jìn)行電壓或電流測量。在顯示儀無信號輸入時(shí)，調(diào)整圖4中“offset”電位器，使數(shù)字多用表測量值為零。然后輸入頻率使顯示儀顯示滿量程流量值，調(diào)整圖4中“amplification”電位器，使數(shù)字多用表測量值為滿量程流量對應(yīng)的標(biāo)稱電壓或電流值。

4? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在流量計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)中任意選擇一些測量點(diǎn)，用公式（1）或公式（2）計(jì)算配套顯示儀閘門時(shí)間系數(shù)并調(diào)整。輸入測量點(diǎn)頻率，顯示儀顯示流量值與測量點(diǎn)流量標(biāo)準(zhǔn)值完全吻合。由此可以判定閘門時(shí)間的計(jì)算方法是合理、正確的，這種便于操作的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是可行的，滿足系統(tǒng)校準(zhǔn)的要求。

以某40L流量測量系統(tǒng)為例，顯示儀單獨(dú)校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)后在實(shí)際應(yīng)用中的測量結(jié)果見表1。

表1數(shù)據(jù)表明，顯示儀經(jīng)過系統(tǒng)校準(zhǔn)后，流量示值與流量實(shí)際值基本接近，主要是顯示分辨力帶來的誤差。模擬輸出信號經(jīng)校正后基本接近標(biāo)稱值10V。經(jīng)過單獨(dú)校準(zhǔn)的顯示儀其流量示值與流量實(shí)際值偏差較大，達(dá)到2%左右的測量誤差。模擬輸出信號同樣偏離標(biāo)稱值約2%。由此可見，顯示儀系統(tǒng)校準(zhǔn)是非常必要的。

5? 結(jié)語

流量測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度主要取決于流量計(jì)的誤差和線性。通過調(diào)整顯示儀閘門時(shí)間，可以對流量計(jì)性能變化產(chǎn)生的測量誤差進(jìn)行修正，從而提高測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。此系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是根據(jù)MF1型流量顯示儀的結(jié)構(gòu)原理和配套流量計(jì)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的。因流量顯示儀種類很多，其他類型顯示儀具體結(jié)構(gòu)原理、連接線路和功能都有許多不同之處，校準(zhǔn)方法也不同。雖不能直接應(yīng)用此校準(zhǔn)方法，但是可參照此方法進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

需要注意的是，按照流量計(jì)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后的顯示儀，必須和該流量計(jì)配套使用，不可隨意更換顯示儀或流量計(jì)。如果更換顯示儀或流量計(jì)，則應(yīng)該按照該校準(zhǔn)方法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后才可使用，否則會產(chǎn)生較大的測量誤差。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 1003-2016，流量積算儀檢定規(guī)程[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 667-2010，液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，2010.

[3] 國防科工委科技與質(zhì)量司.力學(xué)計(jì)量（下冊）第十一篇流量計(jì)量[M].北京：原子能出版社，2002.

[4] Operating Instructions Measuring Instrument MF1[Z].

[5] Operating Instructions for flow meters of the product line“VS in Standard Version”[Z].