智能流量积算仪计测技术探讨

唐勇军

(成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610091)

0 引言

智能流量积算仪是流量测量领域近几年快速发展的一种新型的流量仪表，尤其是近几年来，微电子及通信技术相继运用，也使得流量积算仪引发了一次技术上的飞跃，其功能和可靠性得到了丰富和提高。它可适用于各种液体、蒸汽、天然气(气态方程)、一般气体等的测量。已被广泛应用于航空航天、机械制造、石油、化工、能源管理等行业的流量积算控制。

1 问题的提出

由于目前智能流量积算仪的种类繁多，每个类型的智能流量积算仪的功能和使用方法各不相同，导致在检定过程中都不能以一种类型流量积算的操作方法来开展其他类型的检定，从而导致检定的复杂和困难。以前国家和行业一直没出台相应的技术标准，直到2005年国家才出台JJG1003-2005《流量积算仪检定规程》，但由于被检表的种类太多，国家规程也只能从整体宏观面介绍，做不到对每一类型的积算仪详细介绍检定过程。若仅以规程为依据，而对仪表的性能和操作方法不了解，则无法开展检定工作，尤其是对新手而言，常常感到无从下手。此外，规程的编制者因所从事工作的局限性，规程中一些地方还存在一定的不足，与实际工作存在出入。现主要以输入信号为脉冲信号的SWP 系列智能流量积算仪为例，对智能流量积算仪的校准/检定技术进行探讨。

2 校准/检定技术探讨

2.1 检定点的选取

按国家规程的要求，检定点取流量传感器(或变送器)最大流量对应的输入信号的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近。该检定点的选取适用于量程比为1 ∶5 或更小的流量传感器，如孔板流量计，但随着流量传感器技术的发展，一些流量传感器的量程比往往都大于1 ∶5，如涡轮流量计，通常为1 ∶6.7 或1 ∶10，甚至更大。若以1 ∶5 检定，对于1 ∶10 的传感器而言，在量程的20%以下没有计量，存在不确定性，可能会出现按1∶5 的量程比检定合格，按1∶10 检定可能出现超差，而实际使用又是按1 ∶10 使用的情况。现以一台SWP-LK80 为例，传感器的流量范围为4 ～40 m3/h，其检定数据见表1。

表1 检定数据

若按流量传感器(或变送器)最大流量对应的输入信号的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近进行检定，其最大误差为-0.24%，其结果符合国家规程最低误差极限± 1.0% 的技术要求，但在4 m3/h点则超出国家规程最低误差极限要求。

因此在实际的检定过程中，其流量点的选取应增加流量传感器(或变送器)最小流量对应的输入信号的检定点。

2.2 计量标准的选用

国家规程规定对于输入信号为脉冲信号的，其标准的主要设备为通用计数器(计数范围:0 ～99999;分辨力:1 个字)，附属设备为频率信号发生器，最大允许误差:1×10-5。该要求主要针对0.05 级的表，但在实际的工作中大多数流量积算仪的准确度等级为0.5 级，假如选用我们常用的33120A 函数信号发生器(最大允许误差为±2×10-5)也能远远满足量传的要求，可不必选取最大允许误差为1×10-5频率信号发生器。此外，规程要求主要设备为通用计数器，附属设备为频率信号发生器，而通常使用的33120A 函数信号发生器，其输出的频率稳定和准确度较高，单独使用即可满足要求，可不必选用两台标准设备。

2.3 标准脉冲小数点后非零数字位的选取

国家规程对于输入信号为脉冲信号的积算仪，在检定过程中其标准脉冲信号的小数点后非零数字位的选取未作明确规定。对于传感器为小口径(如:φ6 的涡轮)而言，其输出频率最高可达几千赫兹，输入标准频率是否带小数，对其计量结果影响不是很大。而对于较大口径的传感器(如:φ80 的涡轮)而言，低流量时输出频率通常为几十赫兹，输入频率信号是否带小数对检定结果则会出现较大影响。如SWP-LK80的流量积算仪，其采样频率的分辨率为1Hz，导致的结果为:当输入为整数频率时，其显示数据基本稳定，若读取较稳定数据，其检定结果基本能满足国家规程的要求;但输入带小数频率，尤其小数在0.5 左右时，其显示会在两个数据之间来回跳动(跳动数据之差为1Hz 所对应的流量值)。对于φ80 的涡轮而言，在低流量时，跳动的两数据中无论读取哪个数，其检定结果都会超出国家规程规定误差极限(±1.0%)的现象。现以一台SWP-LK80 为例，传感器的流量范围为10 ～100 m3/h，检定结果见表2 和表3。

表2 较稳定的数据结果

表3 跳动的数据结果

从表1 可以看出在显示数据较稳定的情况下，输入标准频率是否带小数对计量结果的影响也非常大，表2 更能体现小数对使用的影响，因此我们在检定过程中最好是带小数频率进行检定，这样可以更好地判定该流量积算仪性能是否稳定，是否能满足实际使用的工艺要求，从而帮助用户选择更好的流量积算仪。

若出现表1 在31.2 Hz 检定点和表2 的情况，说明该积算仪不适合大口径的流量传感器，解决的最好办法是更换频率采样分辨力为0.1Hz 或更小的流量积算仪。对于SWP-LK80 系列而言，通常其频率采样的分辨率为1Hz。我们在购置时需要单独提出其频率采样的分辨力为0.1Hz，因从外观、型号、规格等是无法区分的。但此种流量积算仪有一缺点就是不带通讯功能，若需两者兼备，则可考虑其他品牌的流量积算仪。

2.4 系数的确定

仪表系数的确定对于使用者来说是非常重要，每台流量传感器的仪表系数都是唯一确定的，也就是说每台流量积算仪和配套的传感器是一一对应的关系，若系数设定不正确会造成很大的测量误差。

式中:qm为质量流量;F 为标准频率;K 为仪表系数;ρ20为20 ℃时液体密度;λ 为体积温度系数，1/℃;t为温度。

由以上公式可以看出仪表系数K 对流量的大小有决定性的作用，如果系数设置不正确，则仪表显示的流量与实际工况的流量会出现很大的差异，从而会产生较大的测量误差。不同类型的仪表其系数K 的设定不同，因而必须熟悉其操作方法方可开展检定，如XSJ-39 其内部的系数为K 的倒数，SWP-LK80 系列为K;又如XSJ 型，其系数必须根据积算仪内部参数最大流量的小数点来确定其值的大小，例:流量为150.0 L/min，系数为77.83。最大流量的小数位为1 位小数，表明系数77.83 为0.1L 所代表的脉冲数。

一般情况下一台积算仪通常只设置一个仪表系数，在检定时即可按该系数开展检定工作，但对于一些带补偿修正的其仪表系数可能是变动的，必须根据不同类型的仪表来确定，以SWP-LK80 系列，补偿为线性补偿，其K 值的确定方法如图1。

图1 中CAH 和CAL 分别为传感器测量的量程上限和下限，脉冲输出以Hz 为单位，从图1 可以看出:

图1 标准频率与系数关系

1)当频率小于或等于CAL 时，系数选用K1;

2)当频率等于1/3(CAL ～CAH)量程时，系数用K2;

3)当频率等于2/3(CAL ～CAH)量程时，系数用K3;

4)当频率大于或等于CAH 时，系数选用K4;

5)当频率在CAL 和1/3(CAL ～CAH)之间时，由图可以看出其曲线分程是一元一次方程y=ax +b，因CAL，1/3(CAL ～CAH)，K1，K2 是已知项，由方程y=ax +b 可以求解出a 和b，在输入频率x 是已知的情况下，则可通过y=ax +b 求出y 即仪表系数K，即检定点的K 系数;

6)当频率在1/3(CAL ～CAH)和2/3(CAL ～CAH)之间时，其方法同5)。

以上功能也可用来实现频率输入的小信号切除功能，如:某一涡轮流量计，假定系数为40.567L-1，，要求当输入频率小于50 Hz 时，停止累积，即将流量信号小于50 Hz 时切除掉。方法如下:

设定K1=0;K2=0;K3=K4=40.567;CAL=49;CAH=52。注意SLP-LK80 系列，当输入频率信号时，无CAL 和CAH 设置，应先打开CAL 和CAH，设置完后再关闭，见图2 曲线。

图2 标准频率与系数关系

由图2 可看出当频率小于50 Hz 时，积算仪瞬时流量显示为零，累积流量不再累积。

2.5 显示单位的选择

流量积算的单位选择也很重要，如果单位选择不正确，对校准结果的影响也非常大。因大部分积算的小数点设置最多只能到3 位小数，若以m3/h 为瞬时流量的单位，对于小口径的传感器而言，会导致仪器分辨力引入的不确定度非常大，如:基本误差限为±1.0%的φ 4 的涡轮，流量范围为0.04 ～0.25 m3/h，设定小数点位数为3 位，在低流量时其分辨力引入的不确定度可达0.7%，因而必须正确选择显示单位。不同类型的积算其单位选取方法各不相同，必须根据实际情况而定，如:SWP-LK80 系列显示单位固定为m3，对于有的传感器不适用于以m3为显示单位，则会造成显示的困难。解决的办法需将K 进行变换，如:需显示L/h，必须将K(L-1)值除上1000 后方可显示L/h。再如:XSJ-39A，需根据仪表系数大小通过说明书中的分档常数表(见表4)来确定其显示单位，它不像有的仪表可以直接选取。

表4 分档常数表

2.6 变送输出校准

变送输出误差Eo计算可按下列公式计算:

式中:Ⅰo为输出电流;Ⅰth为流量理论计算对应的电流值;Ⅰmax为最大流量理论计算对应的电流值;Ⅰ0为流量零点对应的电流值;Ⅰth可按下列公式计算:

式中:q 为检定点的流量值;qmax为最大流量值。

由于输出电流相对于频率信号而言，其稳定性不及频率，在检定过程中往往瞬时流量等检定合格，但输出电流则会出现超差现象，其解决的办法通常有以下两种:

1)调节电路板上的零点电位器和满度电位器，通常可实现。以输出4 ～20 mA 为例:满度的调整，当输入信号为满量程时，调节满度电位器，使其输出为20mA;零位的调整，当不输入信号时，调节零点电位器使其输出为4 mA。

2)可编程调节，以输出4 ～20 mA 的SWP-LK80系列为例，可修改仪表内部的二次参数PB4 和KK4。满度的调整，当输入信号为满量程时，读取仪表的显示值，将显示值与理论值相除，其值为KK4;零位的调整，当不输入信号时，观察仪表的输出值，PB4 为4减去输出值。

2.7 累积流量的检定

按国家规程规定使用标准的要求，信号发生器的允许误差限为:1×10-5，计时器的分辨力优于0.01 s，而在实际的工作中若标准达不到规程的要求，但量传又能满足的情况下如何开展检定呢? 如:采用33120A的信号发生器，计时器的分辨力为0.01 s。其解决的办法为提高检定时间，通过延长时间来弥补标准的问题，国家规程要求10 min，我们就将检定时间延长为20 min 或更长，通常情况检定分辨力引入的不确定度优于最大允许误差的1/5 就能满足要求，当然检定时间越长越好。

2.8 带温度和压力补偿的检定

温度和压力补偿型的检定，其难点主要是确定检定点的介质密度。而密度的确定关键是确定压缩系数Z，Z 值可依据雷德利克- 孔方程(简称R-K 公式)求得。但在实际工作中，在已知温度、压力、流量参数的情况下也会出现检定困难。我们曾经遇见过这样的情况，有一用户送来一只新SLP-LK80 的流量积算仪(内部参数为出厂设定)，并带来传感器相关的信息，委托我们设置并计量。要求我们不考虑温度，只带压力补偿的情况下开展检定。通常的解决办法按公式

3 结束语

随着流量测试技术的不断发展和各种新型流量积算仪和流量传感器的广泛应用，流量测量向高精度、智能化方向发展。这就对我们的检定工作提出了新的要求，而且大部分流量积算仪在检定时都会遇到以上的问题。作为检定工作者，不仅应清楚不同类型的流量积算仪和流量传感器的操作方法、工作原理，更应熟知详细的检定过程。只有这样才能从本质上分析问题，更加快捷处理检定工作中出现的问题，进一步提高我们的计量水平。本文是依据多年的实际工作经验总结出来的，可为今后处理类似的问题提供参考。

［1］苏彦勋.流量计量与测试［M］.北京:中国计量出版社，1992.

［2］王池.流量测量不确定度分析［M］.北京:中国计量出版社，2002.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJG1003-2005 流量积算仪检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2005.