基于双计时法的流量计仪表系数自动校准系统研究*

厉志飞 孙 斌

(1.杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019；2.中国计量学院，杭州 310018)

0 引言

常规的流量计仪表系数标准表法校准通过PLC等控制器进行数据采集、脉冲计数以及定时功能，但控制器结构及本身特征决定了校准单台仪表定时时间只能达到毫秒级，勉强满足校准规范要求，如果同时校准多台流量仪表系数，定时器基本无法满足。另外，脉冲计数也对校准结果有直接影响，传统的方法只能计量整数个脉冲，特别是在小流量时丢失一个脉冲就会带来较大的误差，为了提高精度，必须增加校准时间，这就降低了校准效率。尤其对于同时校准多台仪表时，传统的控制方案很难满足要求。例如：对于0.2%的电磁流量计，在校准时间内累计发出了1000个脉冲，而数据采集系统采用了通用的计数方法，脉冲可能产生1个脉冲的误差，这样，由于脉冲计数产生的误差就达到了0.1%，这是不能允许的。

本文采用FPGA技术，开发一种新的脉冲型流量计仪表系数高精度自动校准方法，可以实现绝大多数该类仪表系数的自动校准，可以明显提高校准精度、缩短校准时间。

1 校准系统工作原理

流量计仪表系数标定系统的工作原理如图1所示。水作为标定介质液体，在管路系统中循环。同一时刻流过标准表的流量与流过被检表的流量是相等的，以此来实现对被检表的仪表系数的标定。其中，管路1、2分别代表小管径流量计标定管路、大管径流量计标定管路，标准表与被检表在管路中的位置按照规定经过计算分配，以提高标定的仪表系数准确度[3]。

图1 流量计仪表系数自动标定系统示意图

绝大多数的液体流量仪表输出的信号有三种：4～20mA电流信号、脉冲信号、表头显示。选用稳定性高、重复性好、精度好的流量仪表作为标准表对被检表进行流量量值传递，即为被检表标定仪表系数。在一定的流量范围内仪表系数K是指流量计当前输出脉冲频率f与流量Q的正比值：

K=f/Q

(1)

根据标准表法原理：在同一时刻，流过标准表与被检表的流量是相等的，

Qs=fs/Ks

(2)

Qc=fc/Kc

(3)

Qs=Qc

(4)

Kc=fcKs/fs

(5)

式中：Qs为标准表的流量示值；Qc为被检表的流量示值；fs为标准表脉冲频率；fc为被检表脉冲频率；Ks是标准表的仪表系数；Kc是被检表的仪表系数。

被检表的仪表系数取决于在校准时间内标准表脉冲频率、被检表脉冲频率以及标准表仪表系数。因此，确定准确的被检仪表系数关键是准确获取同一时间内标准表和被检表的真实脉冲数。按照校准规范，如果要求脉冲计数的不确定度在校准系统里面可以忽略，必须要求一次校准的脉冲总数大于20000个，然而在许多情况特别是大口径直接脉冲输出型流量计上不能满足这个要求，计数会产生很大的不确定度。

为了提高被检表的仪表系数校准精度，采用双计时脉冲计数方法是很好的解决方案，但是利用现在主流的控制器还很难准确实现，必须重新开发一种新型的控制器，以满足高精度计时的技术要求。根据已有资料，通过FPGA技术开发一种可以同时校准8台相同仪表的校准系统，其核心技术就是采用双计时脉冲计数方法。

1.1 双计时脉冲计数原理

双计时脉冲计数法是利用两个高速计时器和相应的开关逻辑，在检测信号和流量计脉冲的控制下，将脉冲计数分辨率由整数计数提高为整数脉冲加上小数(通常为两位小数)的技术。将该技术用于校准系统的待测脉冲计数中，可以保证在脉冲较少的情况下，系统对于待测表脉冲计数的不确定度一直小于0.01%。其基本原理如图2所示,图中tH表示已经就绪，可以开始工作时间，tOK表示校准工作结束或进行最后一个脉冲计数时刻，V,V1,V2分别代表标准表、被检表1、被检表2的体积流量。

①开始校准信号；②被检表1开始计数；③被检表2计数开始；④校准结束信号；⑤被检表2结束计数；⑥被检表1结束计数图2 双计时脉冲计数原理

双计时脉冲计数法流量仪表系数校准方法如下：首先启动变频器调节流量，待检测到流量稳定后等待开始校准信号①；在开始校准信号①由控制器发出后，标准表脉冲计数器检测到第一个脉冲的上升沿开始计数，同时定时器T开始定时；被检表1脉冲计数在校准信号①发出后，检测到第一个脉冲的上升沿②后开始计数，同时定时器T1开始定时；被检表2脉冲计数在校准信号①发出后，检测到第一个脉冲的上升沿③后开始计数，同时定时器T2开始定时。

当接收到校准结束信号④时，标准表脉冲计数器检测结束信号后的第一个脉冲上升沿结束计数，同时定时器T结束定时，记录定时时间T，同时标准表计数器记录脉冲数N。被检表脉冲计数器在接收到结束信号④后检测第一个脉冲的上升并进行计数，同时停止定时器T1定时，记录定时时间T1，脉冲数N1。被检表2依据同样原理进行计数，并记录定时时间T2，脉冲数N2。

最后根据三个计数器以及三个计数器获得脉冲数以及定时时间，得到：

fc1=N1/T1

(6)

fc2=N2/T2

(7)

fs=N/T

(8)

式中：fc1、fc2分别为被检表1和被检表2的测量脉冲频率。

把式(6)、(7)、(8)代入式⑸分别得到被检表1和被检表2的流量仪表系数：

(9)

(10)

式中：Kc1、Kc2分别为被检表1和被检表2的计算流量仪表系数。

(11)

1.2 实验测试

通过表1的测试结果及理论分析可知，采用同步双计时计数可以保证计数器在脉冲较少的情况下，系统对于待测表脉冲计数的不确定度一直小于0.01%。因此，设计的同步双计时计数器产生的计量误差，在标准表流量装置中对系统的不确定度可以忽略。

表1计数准确性测试

表2电磁流量计现场测试结果

续表

基于标准表法和双计时脉冲插值原理，研制了一套电磁流量计仪表系数自动标定系统。系统实现对变频器的远程控制以取得不同的标定流量点，等待水流在流量点稳定时采集标准表和多台被检表输出的脉冲信号及时间。采集完所有流量点的数据，然后对所取得的数据分析、计算、显示并生成报表，数据存入数据库，以此实现被检表仪表系数的自动标定。测试结果如表2所示。通过实验可以看出，该系统具有很高的准确度，满足现场应用需求。

2 结论

利用FPGA开发了一套高精度的脉冲型仪表校准系统，利用控制器硬件实现标准表和多台被检表的同步计数与定时功能，通过双计时法可以明显提高脉冲计数的准确性，可以同时校准8台流量仪表。该系统定时精度能够达到纳秒级，脉冲计数实现小数脉冲测量能力。通过实验测试结果表明，该校准系统较常规标准表法具有更高的校准精度和更短的校准时间，可以极大地提高流量仪表企业仪表校准效率，具有很好的推广应用价值，也适用于流量仪表出厂时流量仪表系数的标定。

[1] JJG 643—2003.标准表法流量仪表校准规程[S]

[2] 梁国伟，李文军，周宁宁.一种传递流量量值的等精度传递系统[J].宇航测试技术，2003，23(2)：4-6

[3] 毛新业.流量仪表的准确度与安装直管段[J].工业计量，2009，(5)：22-25

[4] 梁国伟，赵蓓茁.双时间法在脉冲型流量传感器校准中的应用[J].中国计量学院学报，2002，13(1)：51-55

[5] American Petroleum Institute,Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 4-Proving System,Section 6-Pulse Interpolation-1999 API Publishing Services,Washington DC,U.S.A

[6] 赵艳琴,张永胜.脉冲信号流量计仪表系数的两种实现方法[J].中国计量，2010(2)：88-89

[7] 张翼飞，宋来刚，黄琴.脉冲型流量计仪表系数的确定方法[J].计量与测试技术，2010,37(12)：54-55

[8] 蒋建新.用脉冲插入技术实现指针式流量计的自动校准[J].计量技术，2008(10):47-48

[9] 刘海.用计时-计频方式精确测量涡街流量计信号[J].山东大学学报(工学版)，2004,34(4):12-15

[10] 李刚,任金云,张涛.高准确度标准表法流量标准装置的研究[J].化工自动化及仪表，1999，26(5):39-42

[11] 陈伟杰.VPR 200F在脉冲式输出流量计上的测量原理[J].自动化与仪表，2003(6):23-24

[12] 徐科军,汪安民,吕迅竑，等.基于自适应陷波的涡街流量计信号处理系统[J].计量学报，2000，21(3):199-203