便攜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

陳世硯　劉辰魁　趙　寧　牛立娜

(河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，石家莊 050051)

0　引言

天然氣作為清潔能源在大中城市及縣級(jí)城鎮(zhèn)得到了廣泛使用，一個(gè)中小縣城的商業(yè)燃?xì)庥脩粲猩习賾?，這些商業(yè)用戶使用的燃?xì)獗砘驓怏w流量計(jì)有以下特點(diǎn)：一是流量范圍在1～200m3/h以內(nèi)；二是準(zhǔn)確度等級(jí)在1.5級(jí)及其以下；三是單氣路設(shè)計(jì)，沒有備用表。商業(yè)燃?xì)獗砘蛄髁坑?jì)用于貿(mào)易結(jié)算，按照國家《計(jì)量法》應(yīng)進(jìn)行周期檢定，為解決城鎮(zhèn)商業(yè)燃?xì)庥脩羰褂玫娜細(xì)獗砘蛄髁坑?jì)的周期檢定，研制了便攜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，到各縣級(jí)城鎮(zhèn)進(jìn)行氣體流量周期檢定、校準(zhǔn)服務(wù)。

該裝置研制的依據(jù)和要求：JJG 577—2012《膜式燃?xì)獗怼穂1]中7.3.4.3規(guī)定。由于將裝置運(yùn)輸?shù)疆?dāng)?shù)剡M(jìn)行檢定，要求裝置具備體積小、重量輕、易拆解組合、便于車載和計(jì)數(shù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，本裝置以空氣為介質(zhì)，具備正壓、負(fù)壓兩種檢測(cè)方法。

1　設(shè)計(jì)原理、工作流程及裝置結(jié)構(gòu)

1.1　設(shè)計(jì)原理[2]

利用3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)最大流量檢定點(diǎn)的要求；利用1臺(tái)腰輪流量計(jì)[3]實(shí)現(xiàn)最小流量檢定點(diǎn)的要求；使用各標(biāo)準(zhǔn)表的最佳測(cè)量范圍，提高裝置的線性度；加大標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖輸出頻率，提高標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量重復(fù)性；采用脈沖插入法原理，提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性；適時(shí)進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償，提高裝置的環(huán)境適應(yīng)能力；使用計(jì)算機(jī)程序控制，提高檢測(cè)的自動(dòng)化程度。裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖

1.2　工作流程

通過溫度、壓力傳感器分別采集標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、被檢流量計(jì)及工作環(huán)境的溫度、壓力信號(hào)；流量傳感器采集標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)處的流量信號(hào)；信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而在人機(jī)界面顯示裝置的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及參數(shù)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理。工作流程如圖2所示。

圖2　工作流程圖

1.3　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置由測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和氣源三大部分組成。

測(cè)量系統(tǒng)是裝置的核心部分，主要由測(cè)量裝置和輔助設(shè)備構(gòu)成。測(cè)量裝置由2臺(tái)渦輪流量傳感器[4]和1臺(tái)腰輪流量傳感器并聯(lián)組成，以滿足常用流量檢測(cè)的技術(shù)要求；輔助設(shè)備主要由球形閥、連接管路、整流裝置、閥門及管件等組成。

整流裝置由整流筒，進(jìn)、出氣口，并聯(lián)管路接口組成。其根據(jù)3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)壓力損失的不同，合理地分布并聯(lián)管路與進(jìn)、出氣口的位置，在檢測(cè)最大流量的情況下使氣流平均地在3條管路間分配。

閥門組由3個(gè)與測(cè)量管路的直徑相同的球閥組成，安裝在測(cè)量管路的下游端，2臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)后端的閥門，采用全開全閉的方法使用，此閥門可作為下游直管段的一部分，節(jié)約了管路長度，減小了裝置重量。

氣源可轉(zhuǎn)換氣體流動(dòng)方向，在測(cè)量系統(tǒng)兩端實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，正壓檢測(cè)時(shí)連接在測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)氣口，負(fù)壓檢測(cè)時(shí)，連接在測(cè)量系統(tǒng)的出氣口。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、電源、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理程序、檢測(cè)控制程序、輸入和輸出程序等組成。

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序流程圖

自動(dòng)檢定軟件主要由信息錄入系統(tǒng)、檢定系統(tǒng)、原始記錄打印系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫四部分組成。其中檢定系統(tǒng)為本軟件的核心，由手動(dòng)檢定系統(tǒng)、自動(dòng)檢定系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和檢定中斷系統(tǒng)四部分組成。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

打開系統(tǒng)后錄入被檢信息，設(shè)置檢測(cè)方式、參數(shù)等，選擇自動(dòng)檢定方式，裝置開始自動(dòng)調(diào)節(jié)流量、采集流量、壓力、溫度、大氣壓力、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，到達(dá)設(shè)定目標(biāo)后，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成原始記錄，自動(dòng)保存并將結(jié)果顯示在屏幕和輸出到打印機(jī)。

選擇手動(dòng)檢定方式，手動(dòng)調(diào)節(jié)流量，手動(dòng)選擇開始、結(jié)束檢定時(shí)機(jī)，手動(dòng)輸入壓力、溫度、大氣壓力、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，自動(dòng)讀取流量數(shù)據(jù)，手動(dòng)停止檢定后，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成原始記錄，自動(dòng)保存并將結(jié)果顯示在屏幕和輸出到打印機(jī)。具體的檢定流程圖見圖4。

圖4　檢測(cè)程序流程圖

3　主要技術(shù)措施

3.1　標(biāo)準(zhǔn)器組

1)采用3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表并聯(lián)：即1臺(tái)JLQ-65A腰輪流量計(jì)和2臺(tái)LWQ-A-100渦輪流量計(jì)作為計(jì)量檢定和校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，組合測(cè)量時(shí)總流量上限達(dá)260m3/h，可以覆蓋一般商業(yè)用戶和工業(yè)用戶計(jì)量?jī)x表的流量范圍。

2)采用兩臺(tái)DN50渦輪流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量范圍10～220m3/h速度式流量計(jì)的檢定；采用一臺(tái)DN50腰輪流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量范圍3.2～65m3/h容積式流量計(jì)或燃?xì)獗淼臋z定；3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量上限小于260m3/h流量計(jì)的檢定。該裝置適用于1.5級(jí)及其以下流量計(jì)的周期檢定和使用中檢驗(yàn)。

3)利用現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在流量積算時(shí)對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行修正，使標(biāo)準(zhǔn)裝置在測(cè)量范圍內(nèi)，線性度接近直線，保證了裝置的準(zhǔn)確度。采用脈沖插入法對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集與處理，按規(guī)程打印檢定或校準(zhǔn)原始記錄及證書報(bào)告。

4)腰輪流量計(jì)量程比寬，適合測(cè)量容積式流量計(jì)和小流量測(cè)量；渦輪流量計(jì)氣體流態(tài)穩(wěn)定，適合測(cè)量速度式流量計(jì)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。兩種測(cè)量原理的標(biāo)準(zhǔn)表結(jié)合使該裝置具有較強(qiáng)的適應(yīng)力。

5)為了提升標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的測(cè)量重復(fù)性，在腰輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的輸出軸上安裝了光電編碼器，在渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)軸上增加了磁鋼數(shù)量，提高了標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出脈沖的頻率，使測(cè)量重復(fù)性大大提高，保證每一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)使用流量點(diǎn)的測(cè)量不確定度在0.5%以內(nèi)。

6)大大減小了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的體積，降低整套裝置的重量，提升了整套系統(tǒng)的可移動(dòng)性，易于實(shí)現(xiàn)車載，真正做到把測(cè)量技術(shù)送到用戶門口。

3.2　補(bǔ)償系統(tǒng)

1)壓力的測(cè)量。大氣壓力測(cè)量選用0.1級(jí)羅斯蒙特3051C絕壓傳感器和變送器，其測(cè)量范圍為50～106kPa。每臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的壓力測(cè)量均選用0.1級(jí)羅斯蒙特3051型差壓傳感器和變送器，其測(cè)量范圍為-15～15kPa。

2)溫度的測(cè)量。采用不銹鋼外殼的A級(jí)Pt100和0.2級(jí)溫度變送器。熱電阻以10℃為間隔逐點(diǎn)標(biāo)定阻值，以修正熱電阻誤差。標(biāo)準(zhǔn)表上的熱電阻，其插入位置均為管路中心處，保證每支溫度傳感器的測(cè)溫可靠性。通過以上措施確保溫度測(cè)量不確定度控制在0.2%。

3.3　管路設(shè)計(jì)

為了減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起脈動(dòng)流和降低流場(chǎng)的擾動(dòng)，采取了以下措施：1)通過延長軟管增加了風(fēng)機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)之間的距離；2)在標(biāo)準(zhǔn)表與風(fēng)機(jī)之間增加了一個(gè)為10L的整流裝置；3)在渦輪流量計(jì)進(jìn)氣口處安裝了50cm長的直管段。

為了降低整個(gè)裝置的重量，選用重量相對(duì)較輕，體積相對(duì)較小的球形閥，依據(jù)檢測(cè)流量范圍的不同，人工選擇打開或關(guān)閉某條管路。設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)表管路匯集罐，實(shí)現(xiàn)了多表組合測(cè)量。

3.4　氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)給裝置提供檢測(cè)空氣，根據(jù)檢測(cè)需要有兩種方式控制氣體流量大?。阂皇峭ㄟ^人機(jī)交互界面人工控制變頻器；二是通過程序自動(dòng)控制變頻器，達(dá)到控制風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同流速的目的。通過測(cè)試驗(yàn)證檢測(cè)流量大于10m3/h時(shí)，調(diào)節(jié)流量與預(yù)設(shè)流量偏差在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

3.5　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制模塊、計(jì)數(shù)模塊、晶振電路、電源、變送器、控制軟件等組成，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，在計(jì)算機(jī)程序的控制下進(jìn)行檢測(cè)工作。分兩種檢測(cè)方法：一種是自動(dòng)檢測(cè)方法，對(duì)有輸出脈沖信號(hào)的被檢表，或能夠?qū)⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換成脈沖，如顏色差別，采用自動(dòng)檢測(cè)方法，由脈沖信號(hào)控制檢測(cè)開始與結(jié)束；另一種是手動(dòng)檢測(cè)方法，對(duì)沒有脈沖輸出，或無法將顯示內(nèi)容轉(zhuǎn)換成脈沖輸出的被檢表，采用手動(dòng)檢測(cè)方法，通過人眼目視被檢表顯示數(shù)據(jù)，手動(dòng)控制觸發(fā)按鈕，適時(shí)選擇開始與結(jié)束。每種檢測(cè)方法均有膜式燃?xì)獗?、容積式流量計(jì)、速度式流量計(jì)3種被檢表選擇項(xiàng)，檢測(cè)程序根據(jù)不同的被檢表工作原理，選擇不同的檢測(cè)步驟，提示檢定員做些輔助操作，程序自動(dòng)記錄所需檢測(cè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，與之相應(yīng)的檢定規(guī)程匹配，檢測(cè)完成后自動(dòng)生成符合該檢定規(guī)程的原始記錄。

4　結(jié)束語

該裝置通過音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定[5]，整個(gè)裝置的擴(kuò)展不確定度為0.532%(k=2)[6]。便攜式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研制成功，為我省縣級(jí)城鎮(zhèn)商業(yè)燃?xì)庥脩羰褂玫娜細(xì)獗砗蜌怏w流量計(jì)周期檢定提供了技術(shù)保障，減少了燃?xì)庥脩暨M(jìn)行燃?xì)獗碇芷跈z定成本，為省政府提出的“氣化河北”、“縣縣通”目標(biāo)和改善“京津冀”空氣質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)。

[1]JJG 577—2012膜式燃?xì)獗頇z定.北京：中國計(jì)量出版社，2012

[2]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計(jì)量與測(cè)試.北京：中國計(jì)量出版社，2007：371-387

[3]JJG 633—2005氣體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程.北京：中國計(jì)量出版社，2005

[4]JJG 1037—2008渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程.北京：中國計(jì)量出版社，2008

[5]JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程.北京：中國計(jì)量出版社，2003

[6]李金海.誤差理論與測(cè)量不確定度評(píng)定.北京：中國計(jì)量出版社，2003 ：120-236