现场服务型标准表法气体流量标准装置的研制

侯学青,李 斌,姚 蜜,强 盛

(1.上海市质量监督检验技术研究院 计量检测所,上海 201114;2.上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200444)

0 引言

我国提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这意味着，非化石能源逐步取代化石能源是大势所趋。在从化石能源向可再生能源转型的过程中，我国首要任务就是降低煤炭的消费量。但不得不承认的是，可再生能源的建设和发展周期又相对较长。在这样的情况下，天然气作为介于传统化石能源以及可再生能源之间的低碳清洁能源，其碳排放量低于煤炭、石油，且价格比可再生能源低廉。因此，中长期来看，天然气将是中国实现碳中和目标的能源转型桥梁。在今后10～15年内，中国天然气快速发展的基本面没有改变，天然气消费持续增长的客观条件依然存在，天然气必将在未来的新兴能源体系中占据一席之地[1-2]。

天然气从生产到销售再到客户手中等过程均需要计量，计量使用的流量计数量就有数百万之多[3]，除天然气之外，在压缩空气、氧气、氮气以及相似类型能源如液化石油气改天然气、煤改气的计量中，也需要使用大量的气体流量计，计量这些气体用到的流量计在逐年增加。如果被用于贸易结算，其计量精度和可靠性就必须要高，有些还要和国际能接得上轨，买家也希望价格昂贵的流量计能够物有所值，这对流量计维持准确度提出了更高的要求[4]。

对于气体流量计的检测一般使用音速喷嘴法气体流量标准装置、pVTt法气体流量标准装置和钟罩式气体流量标准装置。这些装置一般体积都比较大、装置的重量非常重，需要在开放的环境使用[5-6]。同时气体流量计送检，需要送到指定检测单位进行离线检测，检测好之后再取回，来回送取通常需要一到两天，再加上排队及检测的时间，最快也要一个礼拜才能重新装在装置上使用，大大增加了企业停产时间，降低了生产效率。目前已有使用音速喷嘴法气体流量装置安装在卡车上进行移动的设计[7]。但是音速喷嘴为定点使用，不能连续调节流量，致使想要的流量点无法校准。亦有使用其他流量计作为标准表的可移动式气体流量标准装置[8]，但是以上装置的重量都很重，需要的运输工具很大，不方便携带，也无法进实验室。因此，要求标准装置既能准确地对流量计进行检测，同时又能方便的移动到流量计的工况环境成了标准装置的一个新的发展方向。

本文在学习总结国内外先进技术及各种设计的基础上进行创新，设计模块化，方便组装及可移动的标准表法气体流量标准装置，以解决气体流量计现场高精度检测的问题。

1 装置概述及设计指标

该装置是以减少占用空间、可移动至现场、提高标定效率、降低能耗、提供高准确度的标定服务为总体设计思路。设计指标：

1)整体占用场地空间：不大于L2 200 mm*W1 500 mm*H1 800 mm;

2)整体重量：≤300 kg;

3)适用环境：温度(5～45)℃；湿度(35～95)%RH；大气压力(86～106)kPa;

4)介质：空气;

5)适用口径：DN15, 25, 40, 50, 80;

6)流量范围：0.5～270 m3/h;

7)装置的相对扩展不确定度不大于0.63%(k=2);

8)稳定性不超过0.3%。

2 装置原理

整个装置的设计及检定的依据是JJG 643-2003《标准表法流量标准装置》[9]。装置是以空气为气源的负压法装置。负压法气体流量标准装置由于不需要大容量的储罐储存压缩空气，结构相对简单，整套装置处于常压或负压状态，对装置设备的压力等级要求低，整套装置的投资额仅相当于正压法气体流量装置的一半，且减轻了装置的整体重量。由于负压法装置不需要储气过程，仅依靠真空泵或风机连续抽负压即可工作，不像正压法装置那样一般只能间断性的工作，因此负压法装置的工作效率是最高的，能在短时间内完成大量的检定校准工作[10]。

图1为本装置的结构原理图。标定时，首先根据设定的流量点选取标准表通道，然后打开相应通道的电动球阀，设置流量调节阀开度，启动变频器控制离心风机进行流量调节，在离心风机的作用下，空气通过被检流量计流入稳流罐，之后进入已选定的标准流量计，接着流入汇集罐，最后经离心风机流出。通过调节变频器频率和阀门开度使流量稳定。当设定流量稳定后，控制系统开始接收标准表和被检流量计的信号，并测量标准表和被检流量计处的温度和压力。到结束测试时，停止接收标准表和被检表的信号。控制系统把标准表的体积量换算为被检表的温度和压力状况下的体积量，最终得出被检流量计的计量性能。被检流量计类型可以为涡街流量计、涡轮流量计、气体腰轮流量计、膜式燃气表[11-14]。

图1 装置的结构原理图

3 装置的硬件设计

图2 硬件电气结构示意图

3.1 硬件的选型与装置结构

常用以音速喷嘴流量计、速度式流量计和容积式流量计为标准表的标准装置,在流量范围、装置能耗等方面各有特色[15]。三类装置的性能比较如表1所示。

表1 三类标准装置的性能的比较

该装置的标准表选用2台Elster气体腰轮流量计(DN50,DN100,容积式)。这类流量计重复性(0.1%)、长期稳定性非常优良。控制器单元采用研华公司的IPC-900工控机、PCI系列板卡以及ADAM数据采集模块组成，其中，ADAM-4117模块采集罗斯蒙特温度压力变送器4～20 mA数据。PCI-1753中断控制板卡以标准表的脉冲作为外部中断源，启停PCI-1780的脉冲计数功能。PCI-1780高速计数器板卡实现对标准表和被检流量计脉冲输出的计数以及输出高低电平至继电器控制电磁阀的开关。流量的调节是工控机通过Modbus协议控制ABB变频器，Elektror离心风机及阀门结合实现的，可以在量程范围内快速准确地调节到所需流量，使得标定工作效率大大提高。硬件电气结构示意图如图2所示。

3.2 标准表的信号处理型

由于PCI-1780可接受的电压为TTL 5 V，故需对标准表的频率信号要做相应的处理。

标准表信号经过一级RC低通滤波，再通过TI OPA2347运放进行发大，最后经一级NE555定时器构成的施密特触发器将波形整形后输出给PCI-1780及PCI-1753。信号处理电路如图3所示。

图3 标准表信号处理电路

3.3 硬件功能的实现

当流量通过变频器和阀门结合，达到设定点的±5%且稳定后，启动标定功能。令PCI-1780发送1 MHz高频脉冲，同时启动3路脉冲计数器，分别记录被检流量计脉冲，高频脉冲，标准表1或2的脉冲数(流量小于40 m3/h，使用标准表1，大于40 m3/h，则使用标准表2)。PCI-1753的C0或C2号口作为标准表1或2的脉冲中断控制，开始标定后，不立即开始记数，当C0或C2号口的标准表脉冲到达下一个脉冲上升沿时，触发中断，记录此时的被检流量计的脉冲数NM1，标准表1或2的脉冲数NS1，同时记录此时的高频脉冲数HF1。

当达到被检流量计1 000个脉冲后(若被检流量计1 000个脉冲不足30秒，则取标准表用时30秒)，不立即停止计数，当C0或C2号口的标准表脉冲到达下一个脉冲上升沿时，触发中断，停止计数，记录此时的被检表脉冲数NM2，标准表1或2的脉冲数NS2，同时记录此时高频脉冲数HF2。

图4 软件系统框图

可得出相关数据如下：被检流量计脉冲数NM=NM2-NM1，标准表脉冲数NS=NS2-NS1，时间T=(HF2-HF1)/1 000 000。分别将被检流量计和标准表的脉冲数乘以各自的脉冲当量，即可得到T时间段内的被检流量计和标准表的累积体积量Qm和Qs。再根据ADAM-4117采集到的被检流量计及标准表处的温度，压力。根据气体状态方程，将通过标准表的累计量修正到被检表的温度、压力状态下的累计量。其流量计算的数学公式[16]为：

(1)

检定流量下的示值误差:

(2)

式中,Qs为标准表的累计体积量，tm是被检流量计处温度，ts为标准表处温度，Pm是被检流量计处压力，Ps是标准表处压力。Qm、Qsm分别为被检流量计的累积体积量、标准流量计温压补偿后的累积体积量。

4 装置的软件设计

4.1 软件的界面设计

随着检测技术的发展，虚拟仪器技术因为其强大的数据分析能力，强大的兼容性和集成化交互式的编程方式，在自动化检测领域发挥着越来越大的作用。LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C语言开发软件，其将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析、显示的测控专业工具有机结合[17]。装置的软件系统提供了进行标定的简单易用程序。通过软件系统录入工作订单以及检定参数可存储到MySQL数据库中，并通过数据库和WORD文件格式将可跟踪的标定数据存储到本地。

因为CVI提供了丰富的反馈函数和图形控件，人性化的软件界面能被设计出来。本软件包含两个主要界面，登录界面和主界面。登录界面根据输入的账户信息分配当前登录人员可以使用的权限与功能。主界面包含7个子界面：工具界面、用户管理界面，信息管理界面，被检仪表界面，标定设置界面，标定监控界面和记录证书界面。工具界面用于输入修改当前系统的硬件参数信息。用户管理界面实现添加账户、修改账户信息以及删除账户的功能。信息管理界面用于测试人员输入当前委托以及测试样品信息。被检仪表界面用于选择当前测试的样品以及测试介质信息的修改。标定监控界面主要实现被检流量计检定功能，记录证书用于实现将测试信息整理导出。软件系统如图4所示。同时被检流量计的检定流程如图5所示。

4.2 软件的数据库设计

标准表法气体流量标准装置应用软件在使用过程中会产生大量关于被检流量计的流量标定以及相关录入信息等数据，因此，为了方便对上述信息数据进行管理，对标准表法气体流量标准装置应用软件对MySQL数据库系统进行了设计。

通常一份委托单中不仅具有客户基本信息，还对应一个或多个待检样品。依照数据库的第三范式规定，数据表中的每一列数据都应与主键直接相关。而委托单中存在着明显的主次关系，且功能需求中有明确的业务管理要求，大量不必要的数据将增加数据库的操作响应时间。为了满足数据库第三范式设计要求，提高系统的实时操作效率，MySQL数据库将委托单中的业务信息与样品信息存放在不同数据表中。

MySQL数据库中进行数据库结构设计时，共计User、Order、Sample、Calibrationsetting、Caliresult、Record和Facilityinfo七个数据表，其中前六个数据表存放流量标定业务流程中涉及较多的相关信息，最后一个表中存放标准表法气体流量标准装置的相关信息和检定依据。具体内容如表2所示。

综合以上结论，原发性闭角型青光眼疾病能够基本满足以人群形成的疾病筛查判断标准，可构建政府可负担、群众认可且覆盖面广初级眼保健服务系统，对于国内筛查以及预防原发性闭角型青光眼十分有利。

图5 流量计检定流程

5 闭环控制算法

由于装置的量程范围较大：0.5～270 m3/h，且可检定的被检流量计的口径较多(DN15,DN25,DN40,DN50,DN80)，后期还可能进行扩展。若使用PID控制，则需要在不同口径的条件下，在不同的流量段内使用多套不同的PID参数，故PID参数整定工作量大，且在不同的工况及不同类型不同压损的被检表时可能会造成误差。为了解决上述问题，故设计了一种新的闭环控制算法。

首先通过阀门及变频器定频使流量达到设置标定点的±5%稳定，通过在流量范围对应的变频器频率如表3所示。

通过稳定性公式[9]按设计要求稳定性0.3%，计算出该标定点的最大计算容差。由气体腰轮流量计的规格书得知标准表DN50，Qmax=40 m3/h时，频率为

表2 数据库结构设计

表3 流量范围对应的变频器频率

127 Hz。故标准表DN50，1 m3/h时，10个脉冲用时约为3秒；标准表DN100，Qmax=400 m3/h时，频率为295 Hz。故标准表DN100，10 m3/h时，23个脉冲用时约为3秒。故在使用标准表DN50时，设定流量点*10的数量为控制脉冲数(若流量小于1 m3/h时，则取10个脉冲作为控制脉冲数)；使用标准表DN100时，设定流量点*2.3的数量为控制脉冲数。

进入标定后，取第一组控制脉冲数的平均流量作为基准，之后每组控制脉冲数的平均流量与基准进行比较，若差值大于计算容差，则降低变频器频率0.1 Hz；反之若差值小于计算容差，则增加变频器频率0.1 Hz。若差值在计算容差范围内，则变频器频率保持不变。

6 装置的不确定度

装置的不确定度由上海市计量测试技术研究院依据JJG 643-2003《标准表法流量标准装置检定规程》[9]检定。

1)检定标准表装置的相对标准不确定度U1=0.10%;

3)标准表处温度测量的相对标准不确定度U3=0.059%;

4)被检流量计处温度测量的相对标准不确定度U4=0.059%;

5)标准表处压力测量的相对标准不确定度U5=0.12%;

6)被检流量计处压力测量的相对标准不确定度U6=0.12%;

7)计时器的相对标准不确定度U7=0.001%;

8)配套管路泄露引起的相对标准不确定度U8=0.15%。

装置的合成相对扩展不确定度：

(3)

7 实验结果与分析

7.1 累计时间之间的流量稳定性测试

测试时应根据装置流量范围选合适流量点进行测试，在单次累计时间内，各流量点应连续取 10 个以上瞬时流量值进行处理，最后取各流量点测试结果最大值作为标准装置流量稳定性。

瞬时流量均值与流量稳定性计算公式如(4)～(5)所示。

(4)

(5)

式中,Eq为流量稳定性；k为覆盖因子，取k=2。

标准装置流量稳定性试验采用一台DN50口径的气体涡街流量计作为被测对象，分别对标准装置35 m3/h、70 m3/h、140 m3/h、200 m3/h、270 m3/h流量点进行测试，结果显示装置流量稳定性优于0.123%，测试数据及处理结果如表4所示[18]。

表4 流量稳定性测试数据

7.2 累计时间之间的流量稳定性测试

测量结果的验证采用传递比较法[19-20]，选取一台DN25气体腰轮流量计作为被测对象，测量范围为1～35 m3/h，准确度等级为1.5级。被考核计量标准和高一级计量标准分别为：本装置，测量范围为0.5～270 m3/h，装置标准不确定度Ulab=0.59%(k=2)；上海安钧智能科技股份有限公司的音速喷嘴法气体流量标准装置，测量范围为0.5～3 700 m3/h，装置不确定度Uref=0.26%(k=2)。结果见表5。

表5 对比结果

8 结束语

本装置具有体积小、重量轻、易于移动、重复性好、效率高、成本低等优点，解决了现场标定问题。装置上的标准表、温度压力表等以及整套装置都经过上海市计量测试技术研究院溯源检定，检定结果达到设计要求。可用于多种类型气体流量计的检定。可提高企业、实验室设备的使用效率，带来经济效益的显著提升，促进我国流量测量事业的发展。未来可进一步扩展装置的流量上限以及增加可检定气体流量计的管径。