液体流量仪表性能校准系统开发

吴勇兴， 王 剑， 姜周曙， 黄国辉

（杭州电子科技大学自动化研究所，浙江杭州 310018）

0 引言

流量是生产与科学实验中的重要参数，不论是工业生产还是科学实验都需要进行流量的测量，以核算过程或设备的生产能力及各部分流量所占的比例，以便对过程或设备作出评价。近年来，在实际工作中经常接触到一些流量仪表，其中以质量流量计、速度流量计及容积流量计居多。虽然各种流量仪表在出厂前都进行了流量标定，建立了流量刻度标尺，但是在实验室或生产上应用时，工作介质、压强、温度等操作条件往往和原来标定时的条件不同。为了精确地使用流量计，需要在使用之前进行现场校准工作。本文根据液体流量仪表性能检测与分析的要求，构建了测试系统的整体框架结构，并基于面向对象的语言，自行研制了一套液体流量仪表性能校准系统。

1 测试系统原理

本系统采用静态质量法［1］，在装置上用电子秤称量一段时间内容器中的液体质量，从而计算出通过流量计的流量。对几种典型的流量计进行标定和校验，其中包括孔板流流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计。在流量计的使用过程中，不同条件下有不同的性能要求，人们对流量计的使用方法也不尽相同，所以我们一般均根据其实际使用情况来选择校准方式，在此仅就流量计的总量和流量计的电流信号测量流量的性能进行测试［2-4］。

1.1 流量计的总量性能测试

（1）检定点i第j次检定时测得的标准器处液体实际体积，

式中：（Vs）ij为检定点i第j次检定时测得的标准器处液体实际体积，m3;（Ms）ij为检定点i第j次检定时，标准秤指示的液体质量，kg;ρs为标准器处液体密度，kg/m3;Cf为浮力修正系数，

ρa为检定时环境大气密度，kg/m3。

（2）检定点i第j次检定时测得的标准器处的体积流量（即为检定点流量），

式中：（Qs）ij为检定点i第j次检定时测得标准器处的瞬时体积流量，m3/h;（ts）ij为检定点i第j次检定时间。

（3）检定点i的实际平均流量，

式中：（Qs）i为检定点i实际体积流量，m3/h。

1.2 流量计电流信号测量流量性能测试

流量计检定点i第j次检定的检定系数，

式中：Kij为检定点i第j次检定系数，（mA·h）/m3;Aij为检定点i第j次检定时流量计电流读数，mA。

流量计检定点i的平均系数

流量计系数

2 测控平台设计

2.1 测控系统结构设计

本测控系统由水路系统、电子称重单元、数据采集系统、计算机测量控制系统和被校准流量计等单元组成［5-10］，系统整体结构如图1所示。

2.2 系统具体操作步骤

开始时向储水箱注入适量测试用水，打开进水阀8，拧开水泵上方的放气螺塞，直到液体从放气螺塞冒出。然后接通控制柜总电源，双击启动监控软件。

图1 液体流量仪表性能测试系统结构图

关闭放气阀3和放水阀9，按下控制柜面板上的循环水泵启动按钮，启动循环水泵，对管道内注水。缓慢开启放气阀3，直至有水流出，关闭放气阀3。通过监控软件开启电磁阀12，并适当调节阀门11到所需流量，调节进水阀8，使右侧溢流管水流量适中，待工作管路中水流稳定后，关闭电磁阀12。排空量筒13，关闭其放水阀，并按下电子称去皮按钮。设置软件测试时长、采样周期，按“运行”按钮开始测试。根据流量大小，确定采样点数量，适时，结束测试。根据具体测试内容，重复上述步骤。

结束时关闭循环水泵，开启电磁阀12、放水阀9，放空实验系统中的水。数据处理，得出测试结论。

2.3 测控系统组成

图2为计算机测控系统组成框图，该系统以PC机为核心，由采集与控制单元分别采集电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计和孔板流量计的电信号，将其转化为数字信号，并通过RS-232接口1发给计算机，同时电子称重单元将流过流量计的液体质量通过RS-232接口2发给计算机。计算机通过相应测控软件可对实验数据进行分析、计算。该计算机测控软件是采用基于.NET 2.0框架下的C#编程语言编写，具有良好的用户界面。通过操作界面，用户可以对实时显示的测试参数进行设定和测试。同时软件具有完善的数据处理功能，拥有对各项数据分析计算、误差分析、存储、绘图、数据报表生产、数据导出和打印等功能。

图2 计算机测控系统组成框图

3 软件系统设计

3.1 软件需求分析

测控系统软件需要实现对4种流量计性能测试的基本功能，计算机通过串口实现对数据采集单元的数据交互，同时经过数据分析处理向操作人员显示。由于面向不同的操作人员，软件应当具有操作方便、界面友好和功能齐全等特点，操作人员只需设置相关参数，根据提示进行操作系统就可以稳定运行并得到测试结果，能够查看实时测试数据并记录保存，并且软件具有曲线显示、生成报表、数据导出和打印等功能。

软件系统功能有：

（1）引导测试功能。引导操作人员按操作流程完成新的测试;

（2）数据采集与分析处理。具有从采集控制单元实时采集数据并在主界面显示的功能，对数据进行分析处理，绘制动态曲线及储存到数据库;

（3）历史数据查询。为用户提供查找历史数据与曲线，并能导出及打印历史数据的功能;

（4）智能检测功能。保证信息的准确与程序的安全稳定运行。

软件具体功能如图3所示。

图3 软件系统功能图

3.2 软件功能实现

根据需求分析，为了更好地实现系统功能，软件采用了基于.NET三层构架，分别是用户界面表示层、业务逻辑层和数据访问层［11-12］。主要功能实现如下：

（1）采集控制功能。主要包括电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、孔板流量计和电子秤的数据采集以及对电机的控制。通过.NET平台提供的串口通信功能，以RS-232通讯方式在PC机与采集控制单元和电子秤进行通信。在设定串口通信端口、串口波特率、数据位和停止位等属性之后，调用.NET串口类相应的方法打开串口，接收数据，然后关闭串口，以此实现数据的发送与接收，达到采集控制的目的。

（2）数据库实现。数据库采用的是SQL Server 2005，主要实现数据的存储和查询功能。数据库中建立两类表：测试信息表和测试数据表，测试信息表字段包括测试编号、测试人员，测试日期和指导老师，其中测试编号为主键;测试数据表，字段包括测试人员，测试日期，指导老师，标定点编号，实际流量，电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、孔板流量计，数据表的创建通过程序中的代码动态建表。在.NET平台下，通过数据库操作类和相应的SQL语言，可实现数据的存储和查询功能［13］。

（3）其他功能模块。该部分主要包括实时曲线绘制，历史数据查询和数据报表打印等功能。其中图形显示采用了第三方画图控件（NI公司的CWGraph控件）来完成曲线绘制，不但减轻了开发者任务，而且绘制效果较好。历史数据查询通过读取数据库历史数据实现。通过专门的报表打印类，实现报表打印接口，可以用来打印历史数据［14-15］。

在Windows XP系统上，基于面向对象思想与UML技术，以Visual Studio2005为平台，采用C#编程技术，Microsoft SQL 2005为数据库，并引入Flash动画界面，设计出了具有Windows操作风格和工艺流程动画显示为一体的智能化测控软件。测控软件界面如图4所示。

图4 测控软件界面

4 测试结果分析

本实验台在不同时间对4种流量计进行了测试，现以型号为AXLWGYA-25的涡轮流量计为例。当系统正常运行后，采集实时数据，分别对4个检定点进行5次测量，流量计测试记录见表1。

从表1中可以得出：

（1）流量计的总量误差和重复性为各检定点最大值，该流量计的总量基本误差为0.35%，符合该型号流量计0.5级精度的要求，所测流量计总量工作正常。多次测量重复性为0.08%，说明测量重复性较好，测量稳定。

表1 测试记录

（2）流量计使用电流输出测量流量方式，该流量计在4～20 mA下进行，4 mA为零位，20 mA设定为流量计最大流量。流量与输出的电流值在理论上呈线性关系，随着流量的增大，其输出电流也相应增大，两者之间存在一个常数K的关系。从表中可得K=1.606 201（mA·h）/m3，基本误差为 0.26%，多次测量重复性为0.14%，测量误差小，重复性良好。

5 结语

本研究针对几种典型的液体流量计开发了一套液体流量仪表性能校准系统。该系统采用静态质量法进行流量测量，提出测控系统结构设计，对流量仪表的性能进行准确检定。根据设计要求，采用基于.NET 2.0框架下的C#编程语言编写上位机软件，实现软件功能设计要求，具有良好的用户界面。系统经过实际运行，使用结果表明该测试系统测量效率高、数据准确可靠、运行稳定，极大提高了自动检测水平。

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