超声水表流量标准装置系统设计

高 科,赵伟国

(中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

超声水表流量标准装置系统设计

高 科,赵伟国

(中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

针对目前传统流量检定标准装置在超声水表检定过程中存在的检定效率低、小流量精度低、流速不稳定等问题,提出了一种高精度组合型的超声水表流量标准装置.该装置以PLC作为硬件控制中心,采用静态质量法与标准表法相结合实现了超声水表的可靠检定;同时在装置中串联3台被检表,以提高检定的效率.实验结果表明，该装置测量的扩展不确定度低于0.4%,参数指标达到了技术要求.

超声水表;检定装置;控制系统;不确定度;双时间法

超声水表是基于超声波原理实现水流量计量的电子仪表,与传统水表相比具有精度高、可靠性好、量程比宽、无可动部件、使用寿命长、压损小及任意角度安装等优点,已广泛应用于工业生产、液体运输及居民生活等方面.目前超声水表的出厂检定基本采用传统的流量计检定方法,导致出厂检定中的效率低与小流量精度低等问题,无法满足市场的需求[1-2].

针对上述问题,本文依据国家标准《JJG 643—2003标准表法流量标准装置》[3]和《JJG 162—2009冷水水表检定规程》[4],以PLC作为硬件控制中心,提出了一种高精度组合型超声水表流量标准装置.该装置以静态质量法与标准表法结合的方式,在装置中串联3台被检超声水表，从而有效地保证了超声水表的检定效率,提高了水流量标准装置的可靠性、准确度和流量测量范围.

1 标准表法和静态质量法流量检定原理

标准表法是基于流体力学的连续性方程,以标准流量计(可以是速度式流量计、容积式流量计、临界流流量计、质量流量计和热能表)作为流量标准来检定流量计的方法.当流量满足条件后,通过将流体依次通过标准表和被检表,在相同的时间间隔内,记录标准表及被检表的流量累计,比较两者的累计流量值,从而确定被检流量计的计量性能[5].

静态质量法是在额定时间内,以检测流过被检表流量的流体质量来判定性能的方法.在相同的时间间隔内,通过将电子秤的累加质量换算为体积,进而与被检表流过的体积进行比较,得到被检表的精度及重复性等参数的方法[6].

2 装置的性能指标和系统组成

本超声水表检定装置由传统的静态质量法和标准表法结合而成[7-8],测量的超声水表管径为DN80-DN200,流量范围为0.4 m3/h至1 250 m3/h.当检定流量低于4 m3/h,采用静态质量法保证了被检表的精度;当流量高于4 m3/h时,通过选择精度等级较高的3个电磁流量计作为标准表,能够满足检定点的要求.在被检表位置处,通过滚轮实现不同管道的切换,以保证不同管径超声水表的检定.

由于超声水表的量程比宽,本系统选择了2套水泵和变频器作为动力源:在检定流量低于300 m3/h时,选择第1套水泵和变频器提供动力;在检定流量高于300 m3/h时,选择第2套水泵和变频器提供动力.通过2套动力源,有效地保证了检定点流量的可调性及可靠性.

由于超声水表是无任何活动部件的流量计,本装置采用将3台相同口径的超声水表串联到检定装置中,超声水表之间的管径长度符合相关检定规程的要求,能够有效提高检定效率且检定精度不会降低.装置示意图如图1.

图1 装置示意图Figure 1 Schematic diagram of facility

3 控制系统的硬件设计

控制系统的硬件由一台工控机、一台PLC、相关AD、DA模块及外部电路组成.上位机软件通过485串口通信实现对电子秤值的读取.通过FX2N-485BD模块实现与FX2N系列PLC的通信,进而实现以下功能:通过脉冲处理电路实现读取标准表与被检表累计脉冲的处理和采集;通过输出阀门驱动电路实现驱动输出阀门的控制;通过AD模块读取温度、压力、标准表及被检表的瞬时量;并通过DA模块对变频器频率及调节阀阀值进行控制.系统硬件控制图如图2.

图2 系统硬件控制图Figure 2 Diagram of the system hardware control

3.1 脉冲采集及处理部分

在脉冲采集时,采用双时间法能够有效地保证脉冲个数的准确性[9].在流量计流速稳定的情况下,输出准确的脉冲数为

(1)

式(1)中:N—计数器记录下的流量计脉冲数;N1—经过双时间法得到的脉冲数;T1—从检测时间开始到检测时间截止信号的时间间隔;T2—从检测时间开始后第一个上升沿到检定时间结束后第一个上升沿停止的时间.双时间法原理图如图3.

图3 双时间原理图Figure 3 Dual-time schematic diagram

在流量计使用过程中,输出的为0～5 V或者0～24 V电压脉冲信号,而本PLC能够识别的为开关量的脉冲信号.因此,通过脉冲处理电路实现电压脉冲信号到开关脉冲信号的转换.电路输入包括流量计的电压脉冲信号和控制检定信号,电路输出为PLC可以识别的开关脉冲信号和双时间法T2的计时信号.在脉冲处理电路中通过信号驱动与光电隔离及非门处理,实现了输入脉冲信号的滤波和整形,保证了输入信号的可靠性.通过将输入脉冲信号和控制检定信号通过D触发器和与门处理,保证了只有控制检定信号有效时,输出脉冲信号和双时间T2信号才能输出有效信号.脉冲处理电路原理图如图4.

图4 脉冲处理电路原理图Figure 4 Principle diagram of pulse processing circuit

在双时间法的原理上,PLC实现脉冲采集、双时间法T1和T2的时间计时,采用X0、X1、X2、X3、X4、X5，分别作为标准表1、标准表2、标准表3、被检表1、被检表2、被检表3的脉冲采集端口,当控制检定信号有效时,PLC的X10、X11、X12、X13、X14、X15，分别是标准表1、标准表2、标准表3、被检表1、被检表2、被检表3的T2进行计时的输入信号,同时内部计时器实现T1的准确计时.通过式(1)可以实现脉冲的准确计数.脉冲采集接线图如图5.

图5 脉冲采集接线图Figure 5 Pulse acquisition wiring diagram

3.2 AD输入转换部分

在超声水表检定系统中,需要时时采集温度、压力、标准表及被检表的瞬时值等,然而由于工业现场的复杂性,极有可能出现瞬间冲击电流,进而有可能损坏PLC的AD模块.因此,本系统采用了AD输入转换电路,通过将传感器输出4～20 mA电流信号通过250 Ω的精密电阻产生一个1～5 V的电压信号,信号经TVS管保护及电容滤波之后,保证了PLC的AD模块进行瞬时量读取的安全性.AD输入转换电路如图6.

图6 AD输入转换电路Figure 6 AD input conversion circuit

3.3 输出阀门驱动部分

在系统使用中,需要同时打开多个开关阀,然而PLC的输出IO口的驱动能力有限,无法满足多个开关阀驱动电流的要求.因此采用输出阀门驱动电路可以解决输出驱动电流不足的问题.输出阀门驱动原理图如图7.

图7 输出阀门驱动原理图Figure 7 Drive schematic of output value

4 软件控制系统

4.1 上位机软件

超声水表检定装置上位机软件是采用LabVIEW语言编写的,大体上包括被检表参数的设置、流量点的设置、检定界面控制、标准表参数设置,以及历史数据的查询及打印等界面.

当用户输入正确的用户名和密码之后,进入主界面,首先需要进行被检表参数设置,包括有被检流量计类型、口径、输出信号型式、脉冲当量等内容;其次按照检定要求设置检定流量点Q1、Q2、Q3和Q4,针对流量计类型及口径的不同,流量计的检定点也不同,因此在流量点设置界面,包括流量点的增加、修改、删除等功能.

进入开始检定界面后,检定界面包含的内容有标准表和被检表的瞬时量及累计量的显示,所有阀门的开关控制,稳压罐温度及压力值的显示,以及连接设备、状态记忆、状态恢复、开始检定及取消检定等按键选择.状态记忆是指当流量满足检定要求时,能够将变频器及调节阀的值记录下来,在下一次对同一流量点进行检定时,只要按下状态恢复按键,变频器及调节阀的值就能够从数据库中提取出来,从而保障了检定的效率.最后通过历史数据查询和打印界面可以对流量计的数据进行查询及打印.LabVIEW软件流程图如图8.

图8 LabVIEW软件流程图Figure 8 Flow chart of LabVIEW software

4.2 下位机软件

本装置采用的硬件控制中心为FX2N系列的PLC,通过软件GX-developer编写的梯形图实现,在程序初始化时,需要设置与PC机之间的通信格式,将所有的寄存器初始化等操作.脉冲及时间采集是在上位机发出检定命令后,PLC开始记录标准表及被检表的脉冲数N及检测时间开始到检测时间截止信号的时间间隔T1.输出开关阀门控制是通过上位机控制内部寄存器实现输出24 V的电压信号.

AD模拟量采集包括标准表和被检表的瞬时流量、温度及压力值.DA模块输出是通过上位机的控制,实现变频器频率及调节阀的开度控制.PLC程序模块图如图9.

图9 PLC程序模块图Figure 9 Module diagram of PLC program

5 装置不确定度的评定

按照国家相关的标准,对超声水表检定装置不确定度进行如下分析[10].

5.1 静态质量法不确定度

静态质量法合成不确定度数学模型为

(2)

表1 静态质量法装置不确定度

Table 1 Uncertainty of static mass method

%

通过公式(2),静态质量法合成不确定度为:

uc=0.0662%.

取覆盖因子k=2,则装置的静态质量法扩展不确定度U=kuc≈0.13%.

5.2 标准表法不确定度

以电磁流量计作为标准器,使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计,比较两者的输出流量值,标准表法合成标准不确定度为

(3)

式(3)中:u1—电磁流量计的相对标准不确定度(按瞬时流量使用时);u2—检定电磁流量计的上一级流量标准装置的合成相对标准不确定度;u3—测量时间的相对标准不确定度A类评定;u4—测量时间的相对标准不确定度B类评定;u5—标准流量计检定和使用的流体条件不同时引起的流量测量不确定度;u6—数据采集、信号处理、数据处理及通信不确定度所引起的流量测量不确定度;u7—流量计检定时的流量条件与使用时不一致,其影响引起的流量相对标准不确定度.

表2 标准表法装置不确定度

Table 2 Uncertainty of master meter method

%

其中u5=u6=u7=0,通过公式(3),标准标法合成不确定度为

u=0.174%.

取覆盖因子k=2,则装置的标准表法扩展不确定度U=ku≈0.35%.

装置不确定取静态称重法和标准表法中的较大者.因此,本装置的扩展不确定度为0.35%,可以对2级的超声水表进行出厂检定.

6 结 语

本文研究设计了一种高效组合型超声水表检定装置,采用上位机LabVIEW软件和下位机PLC能够实现3台超声水表的同时检定.通过装置的不确定度评定,其扩展不确定度低于0.4%,能够对超声水表进行可靠检定并具有较高的检定效率.

[1] 姚灵.我国智能水表技术标准体系的研究与构建[J].中国标准化,2013(7):66-70. YAO Ling. Research and construction of smart water meter technical standard system in China[J].China Standardization,2013(7):66-70.

[2] 王宗辉,张世豪,姚灵.智能水表技术及发展趋势[J].仪表技术,2014(6):45-48. WANG Zonghui, ZHANG Shihao, YAO Ling. Smart water meter technology and its development trend[J].Instrumentation Technology,2014(6):45-48.

[3] 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,2003.

[4] 国家质量技术监督局.JJG 162—2009,冷水水表检定规程[S].北京:中国计量出版社,2009.

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[7] 杨焕彩.基于LabVIEW的流量计标定系统研究[D].西安:西北农林科技大学,2009. YANG Huancai. Research on calibration of flowmeter system with LabVIEW[D].Xian: Northwest A&F University,2009.

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[10] 苏彦勋.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社,2007:331-349.

Design of a calibration facility system for ultrasonic water meters

GAO Ke, ZHAO Weiguo

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In order to solve the shortcomings of low calibration efficiency, low precision in small flow and flow instability in the process of ultrasonic water meter calibration, a calibration facility based on PLC, with high-precision and composition method was designed. The static mass method and master meter method were employed. Three ultrasonic water meters were installed in series to improve calibration efficiency. The experimental data shows that the uncertainty of the measurement is less than 0.4% and the measurement results reach the technical requirements.

ultrasonic water meter; calibration facility; control system; measurement uncertainty; dual-time method

1004-1540(2015)03-0258-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.002

2015-04-16 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

高 科(1990- )，男，陕西省户县人，硕士研究生，主要研究方向为测控技术与智能仪器究.E-mail:ywzqgk@126.com 通讯联系人：赵伟国，男，副教授．E-mail:zjufriendly@163.com

TH814

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