基于雙計時法的流量計儀表系數(shù)自動校準系統(tǒng)研究*

厲志飛 孫 斌

(1.杭州市質量技術監(jiān)督檢測院，杭州 310019；2.中國計量學院，杭州 310018)

0 引言

常規(guī)的流量計儀表系數(shù)標準表法校準通過PLC等控制器進行數(shù)據(jù)采集、脈沖計數(shù)以及定時功能，但控制器結構及本身特征決定了校準單臺儀表定時時間只能達到毫秒級，勉強滿足校準規(guī)范要求，如果同時校準多臺流量儀表系數(shù)，定時器基本無法滿足。另外，脈沖計數(shù)也對校準結果有直接影響，傳統(tǒng)的方法只能計量整數(shù)個脈沖，特別是在小流量時丟失一個脈沖就會帶來較大的誤差，為了提高精度，必須增加校準時間，這就降低了校準效率。尤其對于同時校準多臺儀表時，傳統(tǒng)的控制方案很難滿足要求。例如：對于0.2%的電磁流量計，在校準時間內累計發(fā)出了1000個脈沖，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了通用的計數(shù)方法，脈沖可能產(chǎn)生1個脈沖的誤差，這樣，由于脈沖計數(shù)產(chǎn)生的誤差就達到了0.1%，這是不能允許的。

本文采用FPGA技術，開發(fā)一種新的脈沖型流量計儀表系數(shù)高精度自動校準方法，可以實現(xiàn)絕大多數(shù)該類儀表系數(shù)的自動校準，可以明顯提高校準精度、縮短校準時間。

1 校準系統(tǒng)工作原理

流量計儀表系數(shù)標定系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。水作為標定介質液體，在管路系統(tǒng)中循環(huán)。同一時刻流過標準表的流量與流過被檢表的流量是相等的，以此來實現(xiàn)對被檢表的儀表系數(shù)的標定。其中，管路1、2分別代表小管徑流量計標定管路、大管徑流量計標定管路，標準表與被檢表在管路中的位置按照規(guī)定經(jīng)過計算分配，以提高標定的儀表系數(shù)準確度[3]。

圖1 流量計儀表系數(shù)自動標定系統(tǒng)示意圖

絕大多數(shù)的液體流量儀表輸出的信號有三種：4～20mA電流信號、脈沖信號、表頭顯示。選用穩(wěn)定性高、重復性好、精度好的流量儀表作為標準表對被檢表進行流量量值傳遞，即為被檢表標定儀表系數(shù)。在一定的流量范圍內儀表系數(shù)K是指流量計當前輸出脈沖頻率f與流量Q的正比值：

K=f/Q

(1)

根據(jù)標準表法原理：在同一時刻，流過標準表與被檢表的流量是相等的，

Qs=fs/Ks

(2)

Qc=fc/Kc

(3)

Qs=Qc

(4)

Kc=fcKs/fs

(5)

式中：Qs為標準表的流量示值；Qc為被檢表的流量示值；fs為標準表脈沖頻率；fc為被檢表脈沖頻率；Ks是標準表的儀表系數(shù)；Kc是被檢表的儀表系數(shù)。

被檢表的儀表系數(shù)取決于在校準時間內標準表脈沖頻率、被檢表脈沖頻率以及標準表儀表系數(shù)。因此，確定準確的被檢儀表系數(shù)關鍵是準確獲取同一時間內標準表和被檢表的真實脈沖數(shù)。按照校準規(guī)范，如果要求脈沖計數(shù)的不確定度在校準系統(tǒng)里面可以忽略，必須要求一次校準的脈沖總數(shù)大于20000個，然而在許多情況特別是大口徑直接脈沖輸出型流量計上不能滿足這個要求，計數(shù)會產(chǎn)生很大的不確定度。

為了提高被檢表的儀表系數(shù)校準精度，采用雙計時脈沖計數(shù)方法是很好的解決方案，但是利用現(xiàn)在主流的控制器還很難準確實現(xiàn)，必須重新開發(fā)一種新型的控制器，以滿足高精度計時的技術要求。根據(jù)已有資料，通過FPGA技術開發(fā)一種可以同時校準8臺相同儀表的校準系統(tǒng)，其核心技術就是采用雙計時脈沖計數(shù)方法。

1.1 雙計時脈沖計數(shù)原理

雙計時脈沖計數(shù)法是利用兩個高速計時器和相應的開關邏輯，在檢測信號和流量計脈沖的控制下，將脈沖計數(shù)分辨率由整數(shù)計數(shù)提高為整數(shù)脈沖加上小數(shù)(通常為兩位小數(shù))的技術。將該技術用于校準系統(tǒng)的待測脈沖計數(shù)中，可以保證在脈沖較少的情況下，系統(tǒng)對于待測表脈沖計數(shù)的不確定度一直小于0.01%。其基本原理如圖2所示,圖中tH表示已經(jīng)就緒，可以開始工作時間，tOK表示校準工作結束或進行最后一個脈沖計數(shù)時刻，V,V1,V2分別代表標準表、被檢表1、被檢表2的體積流量。

①開始校準信號；②被檢表1開始計數(shù)；③被檢表2計數(shù)開始；④校準結束信號；⑤被檢表2結束計數(shù)；⑥被檢表1結束計數(shù)圖2 雙計時脈沖計數(shù)原理

雙計時脈沖計數(shù)法流量儀表系數(shù)校準方法如下：首先啟動變頻器調節(jié)流量，待檢測到流量穩(wěn)定后等待開始校準信號①；在開始校準信號①由控制器發(fā)出后，標準表脈沖計數(shù)器檢測到第一個脈沖的上升沿開始計數(shù)，同時定時器T開始定時；被檢表1脈沖計數(shù)在校準信號①發(fā)出后，檢測到第一個脈沖的上升沿②后開始計數(shù)，同時定時器T1開始定時；被檢表2脈沖計數(shù)在校準信號①發(fā)出后，檢測到第一個脈沖的上升沿③后開始計數(shù)，同時定時器T2開始定時。

當接收到校準結束信號④時，標準表脈沖計數(shù)器檢測結束信號后的第一個脈沖上升沿結束計數(shù)，同時定時器T結束定時，記錄定時時間T，同時標準表計數(shù)器記錄脈沖數(shù)N。被檢表脈沖計數(shù)器在接收到結束信號④后檢測第一個脈沖的上升并進行計數(shù)，同時停止定時器T1定時，記錄定時時間T1，脈沖數(shù)N1。被檢表2依據(jù)同樣原理進行計數(shù)，并記錄定時時間T2，脈沖數(shù)N2。

最后根據(jù)三個計數(shù)器以及三個計數(shù)器獲得脈沖數(shù)以及定時時間，得到：

fc1=N1/T1

(6)

fc2=N2/T2

(7)

fs=N/T

(8)

式中：fc1、fc2分別為被檢表1和被檢表2的測量脈沖頻率。

把式(6)、(7)、(8)代入式⑸分別得到被檢表1和被檢表2的流量儀表系數(shù)：

(9)

(10)

式中：Kc1、Kc2分別為被檢表1和被檢表2的計算流量儀表系數(shù)。

(11)

1.2 實驗測試

通過表1的測試結果及理論分析可知，采用同步雙計時計數(shù)可以保證計數(shù)器在脈沖較少的情況下，系統(tǒng)對于待測表脈沖計數(shù)的不確定度一直小于0.01%。因此，設計的同步雙計時計數(shù)器產(chǎn)生的計量誤差，在標準表流量裝置中對系統(tǒng)的不確定度可以忽略。

表1計數(shù)準確性測試

表2電磁流量計現(xiàn)場測試結果

續(xù)表

基于標準表法和雙計時脈沖插值原理，研制了一套電磁流量計儀表系數(shù)自動標定系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)對變頻器的遠程控制以取得不同的標定流量點，等待水流在流量點穩(wěn)定時采集標準表和多臺被檢表輸出的脈沖信號及時間。采集完所有流量點的數(shù)據(jù)，然后對所取得的數(shù)據(jù)分析、計算、顯示并生成報表，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以此實現(xiàn)被檢表儀表系數(shù)的自動標定。測試結果如表2所示。通過實驗可以看出，該系統(tǒng)具有很高的準確度，滿足現(xiàn)場應用需求。

2 結論

利用FPGA開發(fā)了一套高精度的脈沖型儀表校準系統(tǒng)，利用控制器硬件實現(xiàn)標準表和多臺被檢表的同步計數(shù)與定時功能，通過雙計時法可以明顯提高脈沖計數(shù)的準確性，可以同時校準8臺流量儀表。該系統(tǒng)定時精度能夠達到納秒級，脈沖計數(shù)實現(xiàn)小數(shù)脈沖測量能力。通過實驗測試結果表明，該校準系統(tǒng)較常規(guī)標準表法具有更高的校準精度和更短的校準時間，可以極大地提高流量儀表企業(yè)儀表校準效率，具有很好的推廣應用價值，也適用于流量儀表出廠時流量儀表系數(shù)的標定。

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