液體流量標準裝置及自動檢定系統(tǒng)的研制

馬學條,張樹生,文英杰

(1.中國計量學院光學與電子科技學院,浙江杭州310018;2.杭州市質量技術監(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,全社會對流量計量測試技術的要求越來越高.國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局批準發(fā)布了各種流量計量設備的檢定規(guī)程,將用于貿易結算、安全防護、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測的流量計量設備列為國家強制檢定項目.對于流量計量來說,各種流量標準裝置是實施計量服務的主要手段,其自身的功能、精度與先進程度就顯得至關重要.

在能源越來越昂貴的今天,任何微小的標準量值差異都將導致嚴重的經(jīng)濟利益矛盾[1-3].建立一套結構簡單、自動化水平高、準確度高的液體流量標準裝置,一方面保證了流量計量設備準確的量值傳遞,另一方面能有效地避免在生產(chǎn)和貿易結算領域應用的流量計量設備由于計量精度而引起的生產(chǎn)浪費和貿易糾紛[4].

1 工作原理

裝置的工作原理如圖1,該裝置是質量法和標準表法相結合的液體流量標準裝置,兩種方法共用一套被檢表試驗管路.

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

1.1 質量法工作原理

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

1.2 標準表法工作原理

啟動液體循環(huán)系統(tǒng),使液體流經(jīng)被檢流量計和標準流量計,同步操作被檢流量計和標準流量計,比較兩者的輸出流量值,從而確定被檢流量計的準確度.管路上的標準表既可作為質量法裝置的瞬時流量指示,又可作為標準表法裝置的標準器[5].

2 裝置組成設計

裝置實物如圖2,包括3個相對獨立的子系統(tǒng):(1)質量法裝置檢定系統(tǒng);(2)標準表法裝置檢定系統(tǒng);(3)標準表自檢系統(tǒng).質量法為最高標準,由質量法傳遞到標準表[6],采用1臺DN50和1臺DN15的電磁流量計并聯(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.進出水口嚴格隔離,有利于析氣、散熱與沉淀雜質.水池底部有1.5%的斜度,便于水池清洗.

裝置采用調頻法和穩(wěn)流容器相結合的穩(wěn)壓措施,適用于多類流量計的檢定工作.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,達到較穩(wěn)定的壓力源.

2.2 標準器

質量法裝置的標準器采用量程為8～600 kg、準確度為1/60 000的數(shù)字式電子秤,可在量程范圍內自動轉換、去皮、稱重等.標準表法裝置的標準器采用性能穩(wěn)定、準確度為0.2級的電磁流量計,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條試驗管路,2條標準表管路.試驗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處設置取壓孔;標準表管路的前管段長度為10D,后管段長度為5D[7].

2.4 換向器

采用開式氣動電控換向器,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)設計

控制系統(tǒng)拓撲結構如圖3,控制系統(tǒng)由計算機、控制器、變頻器、電子秤和軟件等組成.通過RS-232接口實現(xiàn)計算機與控制器、變頻器、電子秤等設備的通信,實時采集和記錄測試數(shù)據(jù),實時監(jiān)控和調節(jié)變頻器的工作狀態(tài).

圖3 控制系統(tǒng)拓撲結構圖Figure 3 Topology structure of control system

3.1 控制器設計

控制器采用AT89S52單片機為控制核心,實現(xiàn)壓力、溫度、稱重等數(shù)據(jù)的自動采集;承擔流量調節(jié)閥、氣動閥門、換向器等設備的控制;接收計算機檢定控制指令,發(fā)送實時檢定數(shù)據(jù)[10].

設置適當?shù)耐ㄓ崊f(xié)議是保證通信控制器進行正常通訊的基礎.通訊協(xié)議設置如下: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功能,采用奇校驗.上位機檢測出所接收的數(shù)據(jù)錯誤,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),以保證單片機穩(wěn)定的采樣頻率.

3.2 上位機設計

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

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理設計

標準器與被檢流量計的信號是否同步采集,直接影響兩者的量值比較結果.質量法裝置中,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,轉動換向器使液體流入稱重容器,同時通過安裝在旋轉軸上的檔板遮擋光電傳感器,光電傳感器輸出信號觸發(fā)計時器開始計時;檢定過程中電子秤向上位機實時反饋稱重信號,當稱重質量達到設定的量值時,換向器自動換向使液體流入旁通道,同時觸發(fā)計時器停止計時.標準表法裝置中,檢定開始時,控制器自動采集和記錄標準表的初始累積流量,同時觸發(fā)計時器開始計時;檢定過程中標準表向上位機實時反饋累積流量信號,當累積流量達到設定的量值時,計時器停止計時.這樣就簡化了檢定過程的操作程序,提高了檢定效率,實現(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,計算累積流量時,將檢定時間內采集到的累積脈沖個數(shù)根據(jù)儀表的脈沖當量換算成累積流量.對采用4～20 mA電流信號輸出的流量計,按照其對應的量程進行換算得出瞬時流量,計算累積流量采用定時中斷來進行,將每個時間段內的累積流量相累積.

圖5 換向器結構示意圖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),提供給下位機相關的控制指令,做到測試進程的自動化.此外還提供查詢、打印等功能,利用數(shù)據(jù)庫技術保存各種歷史測試數(shù)據(jù).

3.4 檢定結果

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

表1 渦輪流量計檢定記錄Table 1 Verification recording of turbine flowmeter

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

4 結 語

本裝置采用了質量法和標準表法相結合的工作原理.該裝置經(jīng)過國家法定機構檢定,質量法裝置擴展不確定度達到0.05%(k=2),標準表法裝置擴展不確定度達到0.2%(k=2).上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用Delphi編程技術,通過RS-232接口連接各通訊設備,實現(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的檢定、校準,和液體流量計量、測試研究.

[1]國家質量技術監(jiān)督局.JJG 164-2000液體流量標準裝置檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,2000.

[2]國家質量技術監(jiān)督局.JJG 643-2003標準表法流量標準裝置檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,2000.

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

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