气体流量现场校准仪的研制

蒋克伟，毛谦敏，黄咏梅

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

气体流量现场校准仪的研制

蒋克伟，毛谦敏，黄咏梅

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

为了突破实验室计量校准的局限性，实现对不便送检气体流量计的现场校准，特设计了气体流量现场校准仪.它以两个高精度罗茨流量计为标准表，辅以数据采集与控制模块、稳流装置及气源，从而测出被测流量计测量误差.实验结果表明，该装置可在(0.5～400)m3/h的流量范围内实现对1.5级及以下气体流量计的校准，装置的扩展不确定度优于0.5%.

气体流量；现场校准；标准表法

Abstract: In order to break through the limitations of laboratory gas calibration, we designed an on-site gas calibration instrument. The instrument is composed of two high precision roots flowmeters as the standard meter, data acquisition and control modules, the steady flow device and gas source. The error of the gas meter was measured with the instrument. The results show that the device can be used to calibrate gas meters of less than 1.5 grade in the range of 0.5m3/h to 400m3/h. The expanded uncertainty of the device is better than 0.5%.

Keywords: gas flow; field calibration; master meter method

近年来，天然气、煤改气、液化石油气改天然气等有利于节能减排的能源的使用，使得膜式燃气表、涡轮流量计、罗茨流量计的使用量大大增加.这些数目庞大的流量仪表需要定期送检，而有些气体流量计在使用时由于各种原因不方便送检；目前由于政策改变，客户送检变为送检到客户，可以提供上门服务，随之也形成了计量校准市场.这就要求校准装置既能完成校准工作又能方便移动[1].因此，在测量气体的标准装置中，钟罩式和PVTt法等由于体积大或者重量较重等原因，尚不能选用，目前具有可行性的是标准表法.国内外移动式的标准表法流量校准装置大多数为车载式的，检定装置一般要全部或局部放在特制的车上，不能移动出汽车；而能够人工推动的还是占少数，且性能指标仍有待改进.由于流量是导出量，是由长度、时间、质量、温度等基本量综合导出的，使得流量的精度很难达到1×10-3，常见的次级标准装置的测量不确定度范围在0.25%～0.5%[2].

本文基于标准表法，以两台罗茨流量计作为标准表设计了一套小巧轻便的校准仪，解决了当前移动式气体流量检测装置体积大，质量大的问题，可方便移动到计量使用现场，在扩展不确定度优于0.5%的前提下，提高了重复性和自动化水平，并缩减了体积.本装置主要适用于现今使用量最多的准确度在1.5级及以下，流量范围在0.5～400 m3/h以内的气体流量计.

1 装置工作原理

在同一个时间段里，气体通过标准表和被校准表的体积流量是相等的，将标准装置与被校准表串联[3]，按照检定规程在软件界面上设置好若干个校准点，每个校准点测量若干次，然后通过比较标准表与被校准表在一段时间内的累积流量值,计算出示值误差、重复性等参数，从而评定被校准表的计量性能.

图1为本装置的简化框图，采用负压法，测试气体为空气.气体通过被校准表流入稳流罐，之后通过人工切换的球形阀进入其中一台标准流量计，接着流入汇集罐，最后经离心风机流出.离心风机加装了变频器，可以手动调频改变风速.装置的压力(P)、温度(T)及频率信号经下位机传输到上位机，上位机软件负责数据处理、存储数据和打印报表.

图1 装置框架图Figure 1 Device frame

图2 装置工作原理Figure 2 Working principle of the device

如图2，下位机负责采集温度、压力和频率信号.使用频率采集模块采集四路频率，分别测量两个标准表的频率和被校准表的低频或高频脉冲(高频脉冲仅校准罗茨流量计时采集).使用研华4117数据采集模块测量模拟信号，分别测量被校准表的温度压力，环境的温度压力以及两个标准表的温度压力.对于两个标准表，如果各使用一个压力变送器，成本会比较高，考虑到同一时间只用一个标准表或者只开一路球形阀，两个标准表借助三通管可以共用一个压力变送器，这样既节省成本又具有可行性.温度、压力变送器被安装在被校准表的后部直管段和标准表的入口处，或者暴露在空气中用来测量大气压力和环境温度.

2 机械结构设计

机械结构是在匹配了标准表尺寸、被校准表尺寸范围以及风机的尺寸，并根据已有项目经验和参考前人所取得的成果后确定的，故具有设计上的合理性.它满足了流量计对流场稳定的要求，为准确测量提供必要条件，并且这样的结构占用较小的体积.图3为本文的机械结构简图.

图3 机械结构简图Figure 3 Mechanical structure drawing注： ①底板；②进气口(安装被校准表处)；③稳流罐；④球形阀；⑤标准表；⑥汇集罐；⑦离心风机；⑧控制平台.

3 电路设计及元器件的选择

3.1 电路设计

为本装置设计了一套频率采集模块，用于采集四路频率信号.频率采集模块的主控MCU采用C8051F350单片机，是因为它具有以下特点：高达50MHz的最大频率，768字节(256+512)的内部RAM，PCA以及多个16位定时器，还有多种方式可进行时钟频率的快速切换.频率采集模块的具体设计，是将C8051F350单片机的定时器0和PCA扩展为中断，与已有的两个中断共同采集频率(F1～F4)，定时器1产生串口通讯的波特率，定时器2产生分辨率为0.000 1s的时间基准,每个频率采集点需记录下相对时间，以便双计时法的计算.实验结果表明该频率采集模块性能良好，满足使用要求，图4为C8051F350芯片管脚的具体连接.

图4 频率采集模块设计Figure 4 Design of frequency collection

在采集频率信号之前需要对每路输入频率进行电气隔离，图5中的U10为频率采集前的一路光电隔离电路图.F4-始终接低电平，F4+接频率输入.U3E为施密特触发器，能阻止因输入电压出现微小变化而引起的输出电压的改变，和虑除信号上出现的附加噪声，把信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号.另外，选用的24V电压源不仅可以为标准表和被校准表提供电源，也可以为4117和频率采集模块提供电源.

图5 电气隔离及波形处理Figure 5 Electrical isolation and waveform processing

3.2 元器件的选择

温度变送器和压力变送器输出的信号是4～20 mA模拟量，选用研华4117模块采集电流并通过RS485串口输出到上位机[4].对罗茨流量计的校准，使用ER2-22激光探头对准罗茨流量计计量转子进行频率细分，就得到前面提到的高频脉冲，以增加罗茨流量计的分辨率，激光探头输出频率为被校准罗茨流量计自带频率输出的2倍，这样可以将对罗茨流量计的校准时间缩短一半，明显加快了校准速度.

温度计采取PT100，量程为0～50 ℃，分辨率为0.1°，精度为0.1%；差压变送器量程为0～0.5 kPa，精度为0.075%，大气压力传感器量程为80～120 kPa，精度为0.1%.气源风机选用德国伊莱克罗HRD风机，该型号风机运行平稳可靠，带变频器，需要的起动电流小，调速平滑性好、精度高，其容积流量为600 m3/h，总压差为4.90 kPa，重量小、性价比高，能耗低.

标准表的选择较为苛刻，两台标准表均采用罗茨流量计，是因为它具有量程比大、始动流量小、重复性小、对流场环境要求较低、寿命长等优点.针对不同流量点，选用量程与校准点接近的标准表，要求两个标准表在量程上有明显梯度，两台标准表的流量范围选用0.5～25 m3/h和2.5～400 m3/h[5]，具体参数如表1.当校准的流量点的流量值低于25 m3/h时，使用RM-50(Z)测量；当校准的流量点的流量值大于等于25 m3/h时，使用RM-100(Z)测量.

表1 标准表具体参数

4 软件设计

4.1 双计时法原理

若以标准表运行为准，假设标准表运行T1时间，则被校准表也运行T1时间，但是在这个时间内，频率采集模块直接采得的被校准表的脉冲数只有N1，时间为T2，被校准表实际的脉冲数和时间为N2和T1.考虑到在流速稳定的前提下，被校准流量计的脉冲周期频率是一定的，因此采用线性插值的方法:

.

(1)

由(1)式可以看出，双计时法的采用解决了计数不同步的问题，以标准表为准，标准表脉冲和时间的测量先是准确的，被校准表用双计时法得到与标准表同步的脉冲和时间.双计时法原理如图6.

4.2 软件设计框图

使用LabVIEW对上位机编程，使用C语言对下位机频率采集器里的C8051F350编程.由嵌入在系统里的单片机和研华4117采集、处理数据，通过串口向上位机发送数据，上位机将收到的数据进行算法处理后传给显示器或者硬盘.软件设计流程图如图7.

4.3 流量计计量校准指标的计算

参照计量检定规程[6-8]，不同的流量计应按不同的算法处理.

1)对于脉冲量输出的速度式和容积式流量计，应按下面要求处理有关数据：

图6 双计时法原理图Figure 6 Principle diagram of double timing method

a. 流量计的基本误差：

其它符号含义同前.

(2)

式(2)中：EL—被校准表的基本误差；δa—装置系统误差；δL—被校准表的线性度.

b. 每个流量校准点的重复性：

(3)

式(3)中：(Er)i—第i流量校准点的重复性；kij—第i流量校准点第j次校准被校准流量计的仪表系数，1/m3；ki—第i流量校准点的仪表系数，1/m3.

②若被校准表是容积式的：

(4)

式(4)中，dn—极差法系数，根据第i校准点的校准次数n，由极差法系数表确定.

图7 软件流程图Figure 7 Software flow chart

2)对于就地指示和(标准)流量脉冲信号输出的流量计，应按下列步骤计算有关参数：

a.第i校准点第j次校准得到的示值误差：

(5)

式(5)中：Vsij—第i流量校准点第j次校准，转换为标准状态下的标准表的体积量，m3；Vmij—第i流量校准点第j次校准时被校准流量计的累积流量，m3.

b. 流量计第i流量校准点的示值误差：

(6)

c. 流量计第i流量点的重复性Eri：

(7)

式(7)中：(δij)max—第i校准点第j次校准中示值误差的最大值； (δij)min—第i校准点第j次校准中示值误差的最小值；dn—极差法系数，含义同前.

对于基本误差采用流量范围分段考核的流量计，按照上述方法分段求解即可.具体算法请参考计量检定规程JJG633-2005、JJG1037-2008和JJG577-2012.

5 测量特性分析

5.1 装置示值误差和重复性

以两台精度等级为0.05级量程为0.5～25 m3/h和2.5～400 m3/h的高精度等级罗茨流量计作为被校准表或真值，比照该高精度等级罗茨流量计的原始检定报告，使用本装置测量得到本装置的示值误差和重复性情况.

图8和图9为校准该高精度罗茨流量计的校准数据，每个流量点校准3次后取平均.从校准的数据可以看出，该校准仪测得的示值误差的绝对值小于0.5%，与被校准流量计的计量特性是一致的；测得的重复性小于等于0.02%，小于期望的测量不确定度，符合设计要求.

图8 本装置的示值误差Figure 8 Error of indication for the device

图9 本装置的重复性Figure 9 Repeatability of the device

5.2 装置不确定度的评定

以罗茨流量计作为标准表，让气体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被校准流量计，比较两者的输出流量值[9]，并且涉及到温度和压力的补偿，气体流量现场校准仪不确定度一览表如表2.

表2 气体流量现场校准仪不确定度一览表[10]

另外，计时器、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较小可忽略不计.

.

(8)

通过式(8)可得气体流量现场校准仪的合成不确定度u=0.172%，取包含因子k=2，则本装置的扩展不确定度U=ku≈0.34%.

6 结 论

我们研制的整套装置具有体积小、重量轻、易于移动且重复性好的优点，解决了现场校准问题.模块化设计，校准过程减少人为干预，自动化程度高.装置的扩展不确定度为U=0.34%(k=2)，优于0.5%.整套装置满足最初的设计要求.虽然已经满足了设计要求，但是由于工作量的原因，机械结构尚未经过最优化处理则为后续改进留下了空间.

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Developmentofon-sitegasflowcalibrationinstruments

JIANG Kewei, MAO Qianmin, HUANG Yongmei

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

2096-2835(2017)03-0306-07

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.007

2017-05-05 《中国计量大学学报》网址zgjl.cbpt.cnki.net

TB937

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