液体流量标准装置及自动检定系统的研制

马学条,张树生,文英杰

(1.中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州310018;2.杭州市质量技术监督检测院,浙江杭州310008)

近年来随着能源和水资源的全球性匮乏,全社会对流量计量测试技术的要求越来越高.国家质量监督检验检疫总局批准发布了各种流量计量设备的检定规程,将用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测的流量计量设备列为国家强制检定项目.对于流量计量来说,各种流量标准装置是实施计量服务的主要手段,其自身的功能、精度与先进程度就显得至关重要.

在能源越来越昂贵的今天,任何微小的标准量值差异都将导致严重的经济利益矛盾[1-3].建立一套结构简单、自动化水平高、准确度高的液体流量标准装置,一方面保证了流量计量设备准确的量值传递,另一方面能有效地避免在生产和贸易结算领域应用的流量计量设备由于计量精度而引起的生产浪费和贸易纠纷[4].

1 工作原理

装置的工作原理如图1,该装置是质量法和标准表法相结合的液体流量标准装置,两种方法共用一套被检表试验管路.

图1 装置工作原理图Figure 1 Work principle of facilities

1.1 质量法工作原理

系统依靠水泵产生流量,使液体流经被检流量计和换向器注入容器,在设定的时间间隔内,电子秤测得水量m,求得流量q=m/t与被检流量计示值流量相比较,从而确定被检流量计的相对示值误差和重复性.

1.2 标准表法工作原理

启动液体循环系统,使液体流经被检流量计和标准流量计,同步操作被检流量计和标准流量计,比较两者的输出流量值,从而确定被检流量计的准确度.管路上的标准表既可作为质量法装置的瞬时流量指示,又可作为标准表法装置的标准器[5].

2 装置组成设计

装置实物如图2,包括3个相对独立的子系统:(1)质量法装置检定系统;(2)标准表法装置检定系统;(3)标准表自检系统.质量法为最高标准,由质量法传递到标准表[6],采用1台DN50和1台DN15的电磁流量计并联.整套装置的最大测量流量为50 m3/h.

图2 液体流量计自动检定装置Figure 2 Automatic liquid flowmeter calibration facilities

2.1 稳定水源系统

水池的表面积为500 m2,容积为1 000 m3,有利于水中所含气泡的析出和水源压力的稳定.进出水口严格隔离,有利于析气、散热与沉淀杂质.水池底部有1.5%的斜度,便于水池清洗.

装置采用调频法和稳流容器相结合的稳压措施,适用于多类流量计的检定工作.液体流经稳流容器,经阻尼板后降低流速,泵源波动经气容吸收,达到较稳定的压力源.

2.2 标准器

质量法装置的标准器采用量程为8～600 kg、准确度为1/60 000的数字式电子秤,可在量程范围内自动转换、去皮、称重等.标准表法装置的标准器采用性能稳定、准确度为0.2级的电磁流量计,包括DN50(3.5 ～50 m3/h)1台、DN15(0.2～4 m3/h)1台.

2.3 管路系统

包括 DN15、DN20、DN25、DN32、DN40、DN50共6条试验管路,2条标准表管路.试验管路的前管段长度为25D,后管段长度为15D,按照GB/T 778-1996规定,在前 5D,后 10D处设置取压孔;标准表管路的前管段长度为10D,后管段长度为5D[7].

2.4 换向器

采用开式气动电控换向器,流通能力为DN50,50 m3/h,换向行程差小于10 ms,换向过程中噪声小、不溅水、对流体的流场特性影响小[8,9].

3 控制系统设计

控制系统拓扑结构如图3,控制系统由计算机、控制器、变频器、电子秤和软件等组成.通过RS-232接口实现计算机与控制器、变频器、电子秤等设备的通信,实时采集和记录测试数据,实时监控和调节变频器的工作状态.

图3 控制系统拓扑结构图Figure 3 Topology structure of control system

3.1 控制器设计

控制器采用AT89S52单片机为控制核心,实现压力、温度、称重等数据的自动采集;承担流量调节阀、气动阀门、换向器等设备的控制;接收计算机检定控制指令,发送实时检定数据[10].

设置适当的通讯协议是保证通信控制器进行正常通讯的基础.通讯协议设置如下:波特率格式采用9 600帧,数据格式采用8位数据位,1位起始位,1位停止位,为使通讯更可靠使用了奇偶校验功能,采用奇校验.上位机检测出所接收的数据错误,则丢弃不用,不再给控制器发信号请求重新发送数据,以保证单片机稳定的采样频率.

3.2 上位机设计

上位机为计算机处理系统,主要用于检定参数的设置和检定数据的管理.通讯软件的设计基于Delphi环境进行开发[11].其检定流程图如图4.

3.3 数据采集与处理设计

标准器与被检流量计的信号是否同步采集,直接影响两者的量值比较结果.质量法装置中,检定开始和停止信号由换向器发讯.如图5所示,检定开始时,转动换向器使液体流入称重容器,同时通过安装在旋转轴上的档板遮挡光电传感器,光电传感器输出信号触发计时器开始计时;检定过程中电子秤向上位机实时反馈称重信号,当称重质量达到设定的量值时,换向器自动换向使液体流入旁通道,同时触发计时器停止计时.标准表法装置中,检定开始时,控制器自动采集和记录标准表的初始累积流量,同时触发计时器开始计时;检定过程中标准表向上位机实时反馈累积流量信号,当累积流量达到设定的量值时,计时器停止计时.这样就简化了检定过程的操作程序,提高了检定效率,实现了检定过程的自动化和信号的同步采集.

图4 检定流程图Figure 4 Structure of control system

对采用脉冲信号输出的流量计,计算累积流量时,将检定时间内采集到的累积脉冲个数根据仪表的脉冲当量换算成累积流量.对采用4～20 mA电流信号输出的流量计,按照其对应的量程进行换算得出瞬时流量,计算累积流量采用定时中断来进行,将每个时间段内的累积流量相累积.

图5 换向器结构示意图Figure 5 Schematic for diverters

该系统对采集的数据均可同步地在测试界面上显示,并通过分析各动态采集的数据,提供给下位机相关的控制指令,做到测试进程的自动化.此外还提供查询、打印等功能,利用数据库技术保存各种历史测试数据.

3.4 检定结果

使用该装置检定一台准确度等级为0.5级、量程为1.6～10 m3/h的涡轮流量计,检定数据如表1.

表1 涡轮流量计检定记录Table 1 Verification recording of turbine flowmeter

经多次试验,证实该系统工作稳定,操作简单,提高了检定效率.

4 结 语

本装置采用了质量法和标准表法相结合的工作原理.该装置经过国家法定机构检定,质量法装置扩展不确定度达到0.05%(k=2),标准表法装置扩展不确定度达到0.2%(k=2).上位机监控系统采用Delphi编程技术,通过RS-232接口连接各通讯设备,实现检定过程的自动化.装置稳定可靠,检定效率高;满足各种类型的小口径液体流量计的检定、校准,和液体流量计量、测试研究.

[1]国家质量技术监督局.JJG 164-2000液体流量标准装置检定规程[S].北京:中国计量出版社,2000.

[2]国家质量技术监督局.JJG 643-2003标准表法流量标准装置检定规程[S].北京:中国计量出版社,2000.

[3]国家技术监督局.JJG 198-94速度式流量计检定规程[S].北京:中国计量出版社,1995.

[4]胡 煊.液体流量标准装置设计原理[J].内蒙古科技与经济,2008(21):105-106.

[5]苏彦勋,梁国伟,盛健.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社,2007:242-249.

[6]王 池.气体流量量值溯源体系探讨[J].中国计量学院学报,2003,14(3):170-173.

[7]郑建光.直管段长度对孔板流量系数的影响[J].中国计量学院学报,1999(1):49-53.

[8]孟 涛,王 池,陈晓铭.流量装置中换向器检定方法的研究[J].计量学报,2008,29(5):420-422.

[9]沈文新,陆佳颖.用双计时法检定换向器不确定度的探讨[J].自动化仪表,2008,29(6):15-20.

[10]吴 博,黄咏梅,毛谦敏,等.钟罩式气体流量标准装置自动检定系统的设计与实现[J].中国计量学院学报,2006,17(4):268-271.

[11]李均恒,谷爱昱.一种基于Delphi和A T89S52单片机的串行通讯模块的实现[J].计算机工程应用技术,2008,4(9):2779-2781.