一種高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

向麗萍，趙普俊，王 海，潘光玲，汪 斌

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

流量計(jì)量是科學(xué)計(jì)量的重要組成部分，液體流量計(jì)量與測(cè)試技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)并支持了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展?，F(xiàn)階段，高精度的液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究、建立和應(yīng)用成為了液體流量計(jì)量和測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主要環(huán)節(jié)，并普遍引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視[1]。

該裝置選擇以水作介質(zhì)，采用變頻調(diào)節(jié)，離心式水泵和潛水泵相結(jié)合，電磁流量計(jì)作傳遞標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)表法和靜態(tài)質(zhì)量法作原始標(biāo)準(zhǔn)的高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其優(yōu)點(diǎn)是：精度高，可靠性好，流量范圍大，性能穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，操作方便，自動(dòng)化程度高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由水源系統(tǒng)、試驗(yàn)管路、工作標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成[2]，其一般構(gòu)成見(jiàn)圖1[3]。

靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由穩(wěn)壓水源、試驗(yàn)管路系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)閥、標(biāo)準(zhǔn)天平、稱量容器、換向器、計(jì)時(shí)器、控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其工作原理為：將被檢流量計(jì)安裝到試驗(yàn)管路中，通過(guò)水源循環(huán)系統(tǒng)，以天平作為標(biāo)準(zhǔn)器，用秤量一定時(shí)間內(nèi)流入容器內(nèi)的流體總質(zhì)量的方法來(lái)求出被測(cè)液體的流量。比較流量標(biāo)準(zhǔn)器和流量計(jì)的輸出流量值，確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性。質(zhì)量法裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)較高，可以達(dá)到0.05級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)表法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由穩(wěn)壓水源、試驗(yàn)管路系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器、控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成[4]。其工作原理為：將被檢流量計(jì)安裝到試驗(yàn)管路中，通過(guò)水源循環(huán)系統(tǒng)，采用高精度電磁流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)儀表對(duì)其他工作用流量計(jì)進(jìn)行校正。從同一時(shí)刻開(kāi)始記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間同時(shí)停止記錄，比較標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的輸出信號(hào)值，確定被檢流量計(jì)的計(jì)量特性[5]。其準(zhǔn)確度等級(jí)可以達(dá)到0.2級(jí)。

1.2 試驗(yàn)管路設(shè)計(jì)

（1）管路口徑。設(shè)計(jì)管路為2個(gè)工作臺(tái)位，分別為 φ15 mm，φ25 mm，φ32 mm，φ40 mm，φ50 mm，φ65 mm 和 φ80 mm，φ100 mm，φ150 mm，φ200 mm，φ250 mm，φ300 mm共12個(gè)檢測(cè)口徑試驗(yàn)管路[6]。

（2）密封性。在工作壓力下各部件的連接處不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象。

（3）管路條件

1）管道采用并聯(lián)布置，一條試驗(yàn)管路可以用并聯(lián)的多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表的組合能夠檢定大流量?jī)x器設(shè)備的目的。

2）標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的前后直管段應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所需直管段的設(shè)計(jì)要求。管內(nèi)流體只有通過(guò)足夠長(zhǎng)的直管段以后才能形成以管道中心線為對(duì)稱軸的一個(gè)拋物面，由于流動(dòng)過(guò)程中存在各種干擾，液體流經(jīng)阻力件（如彎頭、三通、閥門等）時(shí)，流速分布會(huì)發(fā)生畸變以及產(chǎn)生旋渦，這種情況稱為非充分發(fā)展管流。非充分發(fā)展管流只有在很長(zhǎng)的直管段末端或加裝流動(dòng)調(diào)整器后速度分布才能恢復(fù)到充分發(fā)展管流。

3）流量調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)的下游側(cè)，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定。

4）檢測(cè)時(shí)流體應(yīng)充滿管路，有排氣設(shè)計(jì)，管路后端有背壓設(shè)計(jì)。

1.3 水源穩(wěn)壓系統(tǒng)

其目的是有效保證液體流動(dòng)時(shí)，其任意流量點(diǎn)的壓力、流速等運(yùn)動(dòng)要素均保持在較小范圍波動(dòng)。

（1）合理配置水泵，根據(jù)大、小水泵相組合的原則，采用1臺(tái)流量可達(dá)800m3/h的單級(jí)雙吸離心式水泵和1臺(tái)18.5kW井用潛水泵，最大流量滿足被檢儀器設(shè)備的流量范圍。

（2）變頻調(diào)速。采用兩臺(tái)森蘭變頻調(diào)速器（22kW和90 kW），通過(guò)對(duì)水泵的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，改變水流量大小。

（3）穩(wěn)壓處理。高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用的是多層隔離氣塞、液氣高位溢流臥式穩(wěn)壓罐。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)流場(chǎng)的流量穩(wěn)定度要求越來(lái)越高，為了提高流量穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用多層隔離氣塞加液氣高位溢流相結(jié)合的臥式穩(wěn)壓技術(shù)。流量穩(wěn)定性達(dá)到0.1%，為液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的試驗(yàn)管線提供了單相穩(wěn)流水源。

2 基于Stardom的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

Stardom系統(tǒng)是日本橫河電機(jī)株式會(huì)社（YOKOGAWA electric corporation）推出的一套基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的控制系統(tǒng)（network-based control system）。該控制系統(tǒng)采用了專為電子商務(wù)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便更加快速地響應(yīng)市場(chǎng)的需求和更好地與其他系統(tǒng)互聯(lián)。而且它又融合了YOKOGAWA在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。可靠、運(yùn)行良好、靈活是Stardom作為一種工業(yè)控制系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，而且還融合了最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如WEB，JAVA和安全技術(shù)。這些最新的IT技術(shù)的使用，使系統(tǒng)更開(kāi)放、組合更靈活，以滿足日益提高的自動(dòng)化控制平臺(tái)要求。

2.1 中央自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制部分使用一臺(tái)FCN（現(xiàn)場(chǎng)控制單元）為控制中心，接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)字信號(hào)和來(lái)自儀表的模擬電信號(hào)，發(fā)送用于控制的模擬信號(hào)，自動(dòng)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)的功能：對(duì)于裝置中11個(gè)氣動(dòng)閥門、3個(gè)換向器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、2臺(tái)泵（變頻調(diào)速）進(jìn)行自動(dòng)控制。整個(gè)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、通用計(jì)數(shù)器、FCN、電磁閥、變頻器、繼電器、氣動(dòng)閥等組成[7]。FCN通過(guò)OPC接口標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)通信，接收來(lái)自PC機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)，向PC機(jī)發(fā)送來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表、溫度變送器和壓力變送器的預(yù)處理信號(hào)。FCN直接接收來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表、溫度變送器和壓力變送器的模擬電信號(hào)，通過(guò)OPC接口轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。同樣FCN可以向換向電磁閥、變頻器、繼電器發(fā)送用于控制的模擬信號(hào)。上位機(jī)通過(guò)GP-IB卡同通用計(jì)數(shù)器通信。水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制圖見(jiàn)圖2。

圖2 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制圖

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

（1）液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用的基于OPC協(xié)議的3層架構(gòu)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)分為3層：

應(yīng)用程序?qū)樱贺?fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話，所有上位機(jī)控制操作均集中于此，檢定裝置的數(shù)據(jù)運(yùn)算也架構(gòu)于此層；

邏輯控制層：由OPC協(xié)議作為中間件，負(fù)責(zé)高級(jí)語(yǔ)言和下位機(jī)的通信；

硬件訪問(wèn)層：負(fù)責(zé)對(duì)AD（數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)）進(jìn)行控制和采集。

應(yīng)用程序?qū)雍瓦壿嬁刂茖娱g采用在TPC/IP上疊加OPC協(xié)議進(jìn)行連接，比常用的232，485，488，Modbus，HART等協(xié)議從技術(shù)上提升了一代，應(yīng)用程序?qū)硬皇芡ㄐ艆f(xié)議的制約，可自由定制開(kāi)發(fā)上位軟件，同時(shí)使接口標(biāo)準(zhǔn)化。三層架構(gòu)使高級(jí)語(yǔ)言和硬件之間不直接通信，使應(yīng)用程序?qū)雍陀布臃蛛x，有利于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和硬件層的配置，降低了依賴性；同時(shí)中間件的應(yīng)用為分布式系統(tǒng)提供了平臺(tái)，可以與其他系統(tǒng)組網(wǎng)。

（2）基于TCP/IP協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置向流量量值直接溯源是一個(gè)比較困難的事情，國(guó)際上推崇采用流量比對(duì)組件進(jìn)行量值溯源，流量比對(duì)組件一般采用TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與被溯源流量裝置組網(wǎng)。該裝置在控制系統(tǒng)和中間件之間也采用了TCP/IP協(xié)議，與比對(duì)組件組網(wǎng)簡(jiǎn)單，并可充分利用單位局域網(wǎng)絡(luò)資源。流量裝置控制系統(tǒng)置身于分布式系統(tǒng)環(huán)境，具備了遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)傳校準(zhǔn)溯源的能力。

通過(guò)使用TCP/IP協(xié)議，使液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為網(wǎng)絡(luò)中的一員可以與其他系統(tǒng)共用資源，并可擴(kuò)展為BS系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Delphi7編程，主要完成錄入被檢表信息、預(yù)設(shè)檢定方法、流場(chǎng)切換、采集FCN預(yù)處理后的信號(hào)并記錄、原始記錄文件導(dǎo)出等功能，發(fā)送用于控制變頻器和電磁閥的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)檢定流量計(jì)夾裝完成后，通過(guò)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)檢定可以自動(dòng)進(jìn)行，并保存檢定數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)檢定功能，人為設(shè)定檢定點(diǎn)。系統(tǒng)采用通用工業(yè)控制人機(jī)界面，符合行業(yè)習(xí)慣。各種原始數(shù)據(jù)如檢定流量點(diǎn)、稱量值、時(shí)間、介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度顯示在屏幕上供檢定員觀察。

2.3 開(kāi)放式換向器同步觸發(fā)高精度計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)

由換向器引入的不確定度分量是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度的重要分量，開(kāi)放式換向器對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)流場(chǎng)不產(chǎn)生干擾，只要提高換向器的左右行程一致性和觸發(fā)同步性就能減小換向器引入的不確定度分量，提高液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度。該系統(tǒng)的開(kāi)放式換向器配備了兩臺(tái)相同觸發(fā)原理的高精度計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，整個(gè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于10-7，換向器引入的不確定度分量?jī)?yōu)于0.01%，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，處于全國(guó)先進(jìn)水平。

3 裝置實(shí)際應(yīng)用情況

（1）作為流量單位量值的統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，確保我國(guó)各地區(qū)和各部門的流量量值統(tǒng)一在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量值上。

（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的型式、性能試驗(yàn)研究工作，通過(guò)試驗(yàn)可以確定準(zhǔn)確度等級(jí)、流量的范圍度承受能力、儀表的可靠性與壽命、重復(fù)性等。另一方面，通過(guò)試驗(yàn)可以研究?jī)x表的動(dòng)態(tài)特性，便于對(duì)儀表進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，進(jìn)一步考慮儀表適應(yīng)的環(huán)境條件。

（3）研究參比條件和實(shí)際使用條件之間的差異對(duì)儀表準(zhǔn)確度的影響，采用合理的介質(zhì)換算和修正方法[8]。

（4）開(kāi)展檢定測(cè)試及仲裁工作，為流量?jī)x表生產(chǎn)企業(yè)行業(yè)服務(wù)。

（5）制定國(guó)家或企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程時(shí)，研究測(cè)試方法并進(jìn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

（6）進(jìn)行國(guó)內(nèi)外比對(duì)工作，確定系統(tǒng)不確定度，修正量值。

4 結(jié)束語(yǔ)

高精度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立，完善了我省的流量量傳體系，擴(kuò)大了我省流量?jī)x表的測(cè)試范圍，有力地推動(dòng)了我國(guó)流量測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。該裝置將擔(dān)負(fù)起國(guó)家賦予的西南地區(qū)和四川省的流量量值傳遞任務(wù)，并隨著目前國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目“南水北調(diào)”工程的迅速推進(jìn)完成，將把我國(guó)西南部的水資源不斷地通過(guò)管道輸送到北部的廣闊市場(chǎng)。各種儀表特別是大口徑流量?jī)x表將會(huì)得到大力發(fā)展，有利于流量?jī)x表生產(chǎn)廠家技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，有利于流量行業(yè)自動(dòng)化水平和使用范圍的進(jìn)一步推廣。

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