误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置的设计

刘艺专

摘要：文中基于临界流喷嘴原理，研制了一款误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置，该装置满足气体流量计的量值误差和密封性能指标的检测，实现了交易结算、工业计量、过程控制、安全生产等领域的流量测量仪表检定的准确高效。

关键词：误差检测；密封性试验；一体；音速喷嘴

The Design of the Sonic Nozzle Gas Flow Standard Device of the Negative Pressure Method with the Integration of Error Detection and Sealing Test

LIU Yizhuan

（ Zhangzhou Metrology Institute， Zhangzhou 363000， Fujian， China ）

Abstract：  Based on the principle of critical flow nozzle， a gas flow standard device with negative pressure method is developed， which can be used for error detection and sealing test. The device can meet the measurement error and seal performance of gas flowmeter， and realize the accurate and efficient verification of flow measurement instrument in the fields of trade settlement， industrial metering， process control， safety production and so on.

Key Words： Error detection;Sealing test; Integration; Sonic nozzle

0概述

气体流量计用于测量气体流量，廣泛应用于生产、科研领域，是一种重要的气体流量计量器具。目前，气体流量计的误差检测一般采用负压法音速喷嘴式气体流量标准装置，气体流量计的密封性实验需要采用另外一套专用的打压实验装置进行，这种方式检定、校准气体流量计费时费力，检定效率不高。

文中所述《误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置》是漳州市计量所立项的福建省市场监督管理局科技项目（编号FJQI2018054）和漳州市自然科学基金项目（编号ZZ2019J46），已通过验收。文中旨在研制一套误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置，可通过一次装夹实现气体流量计的量值误差和密封性能指标的检测，满足交易结算、工业计量、过程控制、安全生产等领域的流量测量仪表检定的准确高效。

1装置总体设计

项目研制的误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置由装置主机、控制系统（包括下位机和上位机等）、上位机软件组成，如图1所示。

该装置具备以下特点：

1）该项目研制的误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置具有高准确度、检定高效、自动化程度高等特点，可以检定0.5～500 m3/h范围内的流量点，主要计量器具音速喷嘴0.2级，压力变送器0.1级。整机相对扩展不确定度0.5%。

2）装置可以实现以下功能：

（1）可实现气体流量仪表的误差检测及密封性试验两种功能；

（2）被检气体流量计在一次装夹的情况下，通过切换控制开关，切换至误差测试或密封性试验功能。

3）可以通过上位机软件进行检测数据处理、过程控制。

2 装置主机设计

误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置的主机从功能上可分为误差检测和密封性试验两部分。

2.1误差检测功能硬件设计

误差检测功能硬件设计图如图2所示，根据当前检定流量的需要，软件自动通过算法得出喷嘴阀门最佳组合，并打开不同的喷嘴阀门，得到所需的检定流量。利用滞止容器对负压的稳定作用，使喷嘴的背压比（出入口压力）趋于稳定，进而使喷嘴喉部形成临界流状态。流经喷嘴的气体流量标准值为：

式中：

——流经喷嘴的气体质量流量标准值；

——通过第i个临界流喷嘴的气体质量流量；

——所选择喷嘴的个数。

流经标准设备（临界流喷嘴）和被检设备（被检流量计）的气体质量流量是相同的。在稳定状态下，系统采集喷嘴前的滞止容器的压力和温度以及湿度，计算出标准的气体质量流量和累积流量，并通过计算，将它与同时被检流量计采集到的输出量示值进行比较，从而得到不同流量点下被检流量计的重复性误差和示值误差，完成误差检测环节。

2.2密封性试验功能硬件设计

密封性试验功能硬件如图3所示，误差检测完毕后，打开储气罐进口和出口的两个阀门。系统默认关闭检测管路两端的气动开关阀，在上位机软件上选择好检测的口径后选择密封性测试功能，这时计算机会自动通过控制电动三通阀将压力测量的取压变送器切换到高压压力变送器上，然后点击软件上的“开始”按钮，就打开了进气电动阀，高压气体就经过电磁阀进入到检测管路中。当管路中气体压力达到了设定的目标压力，系统会自动关闭进气电动阀，不再使气体继续进入检测管路中。等待气体稳定就可以进行密封性测试了。测试完成以后，点击“泄压”按钮，管路中的气体可以通过调节阀排放到大气中，整个密封测试结束。

3 控制系统及软件设计

3.1 控制系统设计

检定装置以工业控制计算机（以下简称“工控机”）为调度中心，对各个子控制系统进行协调。兼顾模块化结构和实时性特点，其主要功能是完成检定过程中设备的开关启停，标准设备和被检设备的信号采集、检定数据处理、记录打印、检定报告及检定证书等。控制系统工作原理如图4所示。

控制系统所控制的设备对象包括检定中使用的动力气源、检定介质气源发生系统、喷嘴阀门组、摄像拍照系统及其它设备。整个控制系统以工控机为核心，实时、可靠、高效地协调各子系统工作，很好地实现流量计音速喷嘴法的流量检定功能。

1）控制功能

系统设备中离散控制的开关设备：管路阀门、泵出口阀门、泄压阀门；

系统设备中的连续调节设备：变频器。

2）数据采集功能

标准设备信号采集：温度变送器、压力变送器、湿度变送器；

被检设备信号采集：包括4～20 mA、高低频脉冲信号。

3.2 上位机软件设计

上位机（计算机）软件依托WINDOWS 7操作系统，以国产组态软件中的组态王为平台进行编写，由于组态王软件在国内应用十分广泛，具备多厂家的驱动接口，编程的通用性强，维护方便，适合检定软件的编写。本系统硬件设备使用的西门子PLC，可以直接利用组态王提供的驱动程序与之进行通讯，省去了开发驱动的环节。可以集中精力进行算法的编写，同时组态王图形界面的流程自动化和报表格式多样性也为产品的开发提供了便利。包括实现根据流量点自动选择开启不同的喷嘴组合的功能也十分突出。计算机操作界面如图5所示。

系统软件使用西门子专用数据通讯协议PPI与PLC进行交互通讯，PPI协议是建立在RS485的基础上。因此有很强的抗干扰能力，同时该协议也具有完善的校验功能，可以对收发的数据进行校验，使数据准确可靠。保证上位机（计算机）与下位机（PLC）交换数据的实时准确，完美地实现对检定装置的控制。系统软件开始运行以后，自动把现场的实时数据采集显示到主界面上，操作人员可以很直观地了解整个装置系统的运行情况。经过操作人员的信息录用后，软件开始对被检设备操作，实时同步采集控制被检设备（流量计）和标准设备（喷嘴）的数据。并在设定的时间内进行累积并运算，按照相应的国家检定规程[1]进行数据处理。最终的检定数据结果，以原始数据的方式存入Access数据库中，并可以通过EXCEL方式导出。报表格式如图6所示。

4结语

文中基于临界流喷嘴原理，研制了一款误差检测、密封性试验为一体的负压法音速噴嘴式气体流量标准装置。具有以下创新点：

1）该项目研制的误差检测、密封性试验为一体的负压法音速喷嘴式气体流量标准装置具有高准确度、检定高效、自动化程度高等特点，可以检定0.5～500 m3/h范围内的流量点，主要计量器具音速喷嘴0.2级，压力变送器0.1级。整机相对扩展不确定度0.5%。

2）装置可以实现以下功能：

（1）可实现气体流量仪表的误差检测及密封性试验两种功能；

（2）被检气体流量计在一次装夹的情况下，通过切换控制开关，切换至误差测试或密封性试验功能。

（3）可以通过上位机软件进行检测数据处理、过程控制。

参考文献

[1]全国流量容量计量技术委员会.气体容积式流量计：JJG 633-2005[S].北京：中国计量出版社，2005：11.