智能流量積算儀計(jì)測(cè)技術(shù)探討

唐勇軍

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引言

智能流量積算儀是流量測(cè)量領(lǐng)域近幾年快速發(fā)展的一種新型的流量?jī)x表，尤其是近幾年來(lái)，微電子及通信技術(shù)相繼運(yùn)用，也使得流量積算儀引發(fā)了一次技術(shù)上的飛躍，其功能和可靠性得到了豐富和提高。它可適用于各種液體、蒸汽、天然氣(氣態(tài)方程)、一般氣體等的測(cè)量。已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油、化工、能源管理等行業(yè)的流量積算控制。

1 問(wèn)題的提出

由于目前智能流量積算儀的種類(lèi)繁多，每個(gè)類(lèi)型的智能流量積算儀的功能和使用方法各不相同，導(dǎo)致在檢定過(guò)程中都不能以一種類(lèi)型流量積算的操作方法來(lái)開(kāi)展其他類(lèi)型的檢定，從而導(dǎo)致檢定的復(fù)雜和困難。以前國(guó)家和行業(yè)一直沒(méi)出臺(tái)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到2005年國(guó)家才出臺(tái)JJG1003-2005《流量積算儀檢定規(guī)程》，但由于被檢表的種類(lèi)太多，國(guó)家規(guī)程也只能從整體宏觀面介紹，做不到對(duì)每一類(lèi)型的積算儀詳細(xì)介紹檢定過(guò)程。若僅以規(guī)程為依據(jù)，而對(duì)儀表的性能和操作方法不了解，則無(wú)法開(kāi)展檢定工作，尤其是對(duì)新手而言，常常感到無(wú)從下手。此外，規(guī)程的編制者因所從事工作的局限性，規(guī)程中一些地方還存在一定的不足，與實(shí)際工作存在出入。現(xiàn)主要以輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)的SWP 系列智能流量積算儀為例，對(duì)智能流量積算儀的校準(zhǔn)/檢定技術(shù)進(jìn)行探討。

2 校準(zhǔn)/檢定技術(shù)探討

2.1 檢定點(diǎn)的選取

按國(guó)家規(guī)程的要求，檢定點(diǎn)取流量傳感器(或變送器)最大流量對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近。該檢定點(diǎn)的選取適用于量程比為1 ∶5 或更小的流量傳感器，如孔板流量計(jì)，但隨著流量傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些流量傳感器的量程比往往都大于1 ∶5，如渦輪流量計(jì)，通常為1 ∶6.7 或1 ∶10，甚至更大。若以1 ∶5 檢定，對(duì)于1 ∶10 的傳感器而言，在量程的20%以下沒(méi)有計(jì)量，存在不確定性，可能會(huì)出現(xiàn)按1∶5 的量程比檢定合格，按1∶10 檢定可能出現(xiàn)超差，而實(shí)際使用又是按1 ∶10 使用的情況。現(xiàn)以一臺(tái)SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為4 ～40 m3/h，其檢定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 檢定數(shù)據(jù)

若按流量傳感器(或變送器)最大流量對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近進(jìn)行檢定，其最大誤差為-0.24%，其結(jié)果符合國(guó)家規(guī)程最低誤差極限± 1.0% 的技術(shù)要求，但在4 m3/h點(diǎn)則超出國(guó)家規(guī)程最低誤差極限要求。

因此在實(shí)際的檢定過(guò)程中，其流量點(diǎn)的選取應(yīng)增加流量傳感器(或變送器)最小流量對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的檢定點(diǎn)。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的選用

國(guó)家規(guī)程規(guī)定對(duì)于輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)的，其標(biāo)準(zhǔn)的主要設(shè)備為通用計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)范圍:0 ～99999;分辨力:1 個(gè)字)，附屬設(shè)備為頻率信號(hào)發(fā)生器，最大允許誤差:1×10-5。該要求主要針對(duì)0.05 級(jí)的表，但在實(shí)際的工作中大多數(shù)流量積算儀的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5 級(jí)，假如選用我們常用的33120A 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(最大允許誤差為±2×10-5)也能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足量傳的要求，可不必選取最大允許誤差為1×10-5頻率信號(hào)發(fā)生器。此外，規(guī)程要求主要設(shè)備為通用計(jì)數(shù)器，附屬設(shè)備為頻率信號(hào)發(fā)生器，而通常使用的33120A 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，其輸出的頻率穩(wěn)定和準(zhǔn)確度較高，單獨(dú)使用即可滿足要求，可不必選用兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)脈沖小數(shù)點(diǎn)后非零數(shù)字位的選取

國(guó)家規(guī)程對(duì)于輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)的積算儀，在檢定過(guò)程中其標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)的小數(shù)點(diǎn)后非零數(shù)字位的選取未作明確規(guī)定。對(duì)于傳感器為小口徑(如:φ6 的渦輪)而言，其輸出頻率最高可達(dá)幾千赫茲，輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率是否帶小數(shù)，對(duì)其計(jì)量結(jié)果影響不是很大。而對(duì)于較大口徑的傳感器(如:φ80 的渦輪)而言，低流量時(shí)輸出頻率通常為幾十赫茲，輸入頻率信號(hào)是否帶小數(shù)對(duì)檢定結(jié)果則會(huì)出現(xiàn)較大影響。如SWP-LK80的流量積算儀，其采樣頻率的分辨率為1Hz，導(dǎo)致的結(jié)果為:當(dāng)輸入為整數(shù)頻率時(shí)，其顯示數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，若讀取較穩(wěn)定數(shù)據(jù)，其檢定結(jié)果基本能滿足國(guó)家規(guī)程的要求;但輸入帶小數(shù)頻率，尤其小數(shù)在0.5 左右時(shí)，其顯示會(huì)在兩個(gè)數(shù)據(jù)之間來(lái)回跳動(dòng)(跳動(dòng)數(shù)據(jù)之差為1Hz 所對(duì)應(yīng)的流量值)。對(duì)于φ80 的渦輪而言，在低流量時(shí)，跳動(dòng)的兩數(shù)據(jù)中無(wú)論讀取哪個(gè)數(shù)，其檢定結(jié)果都會(huì)超出國(guó)家規(guī)程規(guī)定誤差極限(±1.0%)的現(xiàn)象?，F(xiàn)以一臺(tái)SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為10 ～100 m3/h，檢定結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表2 較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)果

表3 跳動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)果

從表1 可以看出在顯示數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的情況下，輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率是否帶小數(shù)對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響也非常大，表2 更能體現(xiàn)小數(shù)對(duì)使用的影響，因此我們?cè)跈z定過(guò)程中最好是帶小數(shù)頻率進(jìn)行檢定，這樣可以更好地判定該流量積算儀性能是否穩(wěn)定，是否能滿足實(shí)際使用的工藝要求，從而幫助用戶選擇更好的流量積算儀。

若出現(xiàn)表1 在31.2 Hz 檢定點(diǎn)和表2 的情況，說(shuō)明該積算儀不適合大口徑的流量傳感器，解決的最好辦法是更換頻率采樣分辨力為0.1Hz 或更小的流量積算儀。對(duì)于SWP-LK80 系列而言，通常其頻率采樣的分辨率為1Hz。我們?cè)谫?gòu)置時(shí)需要單獨(dú)提出其頻率采樣的分辨力為0.1Hz，因從外觀、型號(hào)、規(guī)格等是無(wú)法區(qū)分的。但此種流量積算儀有一缺點(diǎn)就是不帶通訊功能，若需兩者兼?zhèn)洌瑒t可考慮其他品牌的流量積算儀。

2.4 系數(shù)的確定

儀表系數(shù)的確定對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)是非常重要，每臺(tái)流量傳感器的儀表系數(shù)都是唯一確定的，也就是說(shuō)每臺(tái)流量積算儀和配套的傳感器是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，若系數(shù)設(shè)定不正確會(huì)造成很大的測(cè)量誤差。

式中:qm為質(zhì)量流量;F 為標(biāo)準(zhǔn)頻率;K 為儀表系數(shù);ρ20為20 ℃時(shí)液體密度;λ 為體積溫度系數(shù)，1/℃;t為溫度。

由以上公式可以看出儀表系數(shù)K 對(duì)流量的大小有決定性的作用，如果系數(shù)設(shè)置不正確，則儀表顯示的流量與實(shí)際工況的流量會(huì)出現(xiàn)很大的差異，從而會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。不同類(lèi)型的儀表其系數(shù)K 的設(shè)定不同，因而必須熟悉其操作方法方可開(kāi)展檢定，如XSJ-39 其內(nèi)部的系數(shù)為K 的倒數(shù)，SWP-LK80 系列為K;又如XSJ 型，其系數(shù)必須根據(jù)積算儀內(nèi)部參數(shù)最大流量的小數(shù)點(diǎn)來(lái)確定其值的大小，例:流量為150.0 L/min，系數(shù)為77.83。最大流量的小數(shù)位為1 位小數(shù)，表明系數(shù)77.83 為0.1L 所代表的脈沖數(shù)。

一般情況下一臺(tái)積算儀通常只設(shè)置一個(gè)儀表系數(shù)，在檢定時(shí)即可按該系數(shù)開(kāi)展檢定工作，但對(duì)于一些帶補(bǔ)償修正的其儀表系數(shù)可能是變動(dòng)的，必須根據(jù)不同類(lèi)型的儀表來(lái)確定，以SWP-LK80 系列，補(bǔ)償為線性補(bǔ)償，其K 值的確定方法如圖1。

圖1 中CAH 和CAL 分別為傳感器測(cè)量的量程上限和下限，脈沖輸出以Hz 為單位，從圖1 可以看出:

圖1 標(biāo)準(zhǔn)頻率與系數(shù)關(guān)系

1)當(dāng)頻率小于或等于CAL 時(shí)，系數(shù)選用K1;

2)當(dāng)頻率等于1/3(CAL ～CAH)量程時(shí)，系數(shù)用K2;

3)當(dāng)頻率等于2/3(CAL ～CAH)量程時(shí)，系數(shù)用K3;

4)當(dāng)頻率大于或等于CAH 時(shí)，系數(shù)選用K4;

5)當(dāng)頻率在CAL 和1/3(CAL ～CAH)之間時(shí)，由圖可以看出其曲線分程是一元一次方程y=ax +b，因CAL，1/3(CAL ～CAH)，K1，K2 是已知項(xiàng)，由方程y=ax +b 可以求解出a 和b，在輸入頻率x 是已知的情況下，則可通過(guò)y=ax +b 求出y 即儀表系數(shù)K，即檢定點(diǎn)的K 系數(shù);

6)當(dāng)頻率在1/3(CAL ～CAH)和2/3(CAL ～CAH)之間時(shí)，其方法同5)。

以上功能也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率輸入的小信號(hào)切除功能，如:某一渦輪流量計(jì)，假定系數(shù)為40.567L-1，，要求當(dāng)輸入頻率小于50 Hz 時(shí)，停止累積，即將流量信號(hào)小于50 Hz 時(shí)切除掉。方法如下:

設(shè)定K1=0;K2=0;K3=K4=40.567;CAL=49;CAH=52。注意SLP-LK80 系列，當(dāng)輸入頻率信號(hào)時(shí)，無(wú)CAL 和CAH 設(shè)置，應(yīng)先打開(kāi)CAL 和CAH，設(shè)置完后再關(guān)閉，見(jiàn)圖2 曲線。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)頻率與系數(shù)關(guān)系

由圖2 可看出當(dāng)頻率小于50 Hz 時(shí)，積算儀瞬時(shí)流量顯示為零，累積流量不再累積。

2.5 顯示單位的選擇

流量積算的單位選擇也很重要，如果單位選擇不正確，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響也非常大。因大部分積算的小數(shù)點(diǎn)設(shè)置最多只能到3 位小數(shù)，若以m3/h 為瞬時(shí)流量的單位，對(duì)于小口徑的傳感器而言，會(huì)導(dǎo)致儀器分辨力引入的不確定度非常大，如:基本誤差限為±1.0%的φ 4 的渦輪，流量范圍為0.04 ～0.25 m3/h，設(shè)定小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為3 位，在低流量時(shí)其分辨力引入的不確定度可達(dá)0.7%，因而必須正確選擇顯示單位。不同類(lèi)型的積算其單位選取方法各不相同，必須根據(jù)實(shí)際情況而定，如:SWP-LK80 系列顯示單位固定為m3，對(duì)于有的傳感器不適用于以m3為顯示單位，則會(huì)造成顯示的困難。解決的辦法需將K 進(jìn)行變換，如:需顯示L/h，必須將K(L-1)值除上1000 后方可顯示L/h。再如:XSJ-39A，需根據(jù)儀表系數(shù)大小通過(guò)說(shuō)明書(shū)中的分檔常數(shù)表(見(jiàn)表4)來(lái)確定其顯示單位，它不像有的儀表可以直接選取。

表4 分檔常數(shù)表

2.6 變送輸出校準(zhǔn)

變送輸出誤差Eo計(jì)算可按下列公式計(jì)算:

式中:Ⅰo為輸出電流;Ⅰth為流量理論計(jì)算對(duì)應(yīng)的電流值;Ⅰmax為最大流量理論計(jì)算對(duì)應(yīng)的電流值;Ⅰ0為流量零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值;Ⅰth可按下列公式計(jì)算:

式中:q 為檢定點(diǎn)的流量值;qmax為最大流量值。

由于輸出電流相對(duì)于頻率信號(hào)而言，其穩(wěn)定性不及頻率，在檢定過(guò)程中往往瞬時(shí)流量等檢定合格，但輸出電流則會(huì)出現(xiàn)超差現(xiàn)象，其解決的辦法通常有以下兩種:

1)調(diào)節(jié)電路板上的零點(diǎn)電位器和滿度電位器，通?？蓪?shí)現(xiàn)。以輸出4 ～20 mA 為例:滿度的調(diào)整，當(dāng)輸入信號(hào)為滿量程時(shí)，調(diào)節(jié)滿度電位器，使其輸出為20mA;零位的調(diào)整，當(dāng)不輸入信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)零點(diǎn)電位器使其輸出為4 mA。

2)可編程調(diào)節(jié)，以輸出4 ～20 mA 的SWP-LK80系列為例，可修改儀表內(nèi)部的二次參數(shù)PB4 和KK4。滿度的調(diào)整，當(dāng)輸入信號(hào)為滿量程時(shí)，讀取儀表的顯示值，將顯示值與理論值相除，其值為KK4;零位的調(diào)整，當(dāng)不輸入信號(hào)時(shí)，觀察儀表的輸出值，PB4 為4減去輸出值。

2.7 累積流量的檢定

按國(guó)家規(guī)程規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，信號(hào)發(fā)生器的允許誤差限為:1×10-5，計(jì)時(shí)器的分辨力優(yōu)于0.01 s，而在實(shí)際的工作中若標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到規(guī)程的要求，但量傳又能滿足的情況下如何開(kāi)展檢定呢? 如:采用33120A的信號(hào)發(fā)生器，計(jì)時(shí)器的分辨力為0.01 s。其解決的辦法為提高檢定時(shí)間，通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，國(guó)家規(guī)程要求10 min，我們就將檢定時(shí)間延長(zhǎng)為20 min 或更長(zhǎng)，通常情況檢定分辨力引入的不確定度優(yōu)于最大允許誤差的1/5 就能滿足要求，當(dāng)然檢定時(shí)間越長(zhǎng)越好。

2.8 帶溫度和壓力補(bǔ)償?shù)臋z定

溫度和壓力補(bǔ)償型的檢定，其難點(diǎn)主要是確定檢定點(diǎn)的介質(zhì)密度。而密度的確定關(guān)鍵是確定壓縮系數(shù)Z，Z 值可依據(jù)雷德利克- 孔方程(簡(jiǎn)稱(chēng)R-K 公式)求得。但在實(shí)際工作中，在已知溫度、壓力、流量參數(shù)的情況下也會(huì)出現(xiàn)檢定困難。我們?cè)?jīng)遇見(jiàn)過(guò)這樣的情況，有一用戶送來(lái)一只新SLP-LK80 的流量積算儀(內(nèi)部參數(shù)為出廠設(shè)定)，并帶來(lái)傳感器相關(guān)的信息，委托我們?cè)O(shè)置并計(jì)量。要求我們不考慮溫度，只帶壓力補(bǔ)償?shù)那闆r下開(kāi)展檢定。通常的解決辦法按公式

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著流量測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展和各種新型流量積算儀和流量傳感器的廣泛應(yīng)用，流量測(cè)量向高精度、智能化方向發(fā)展。這就對(duì)我們的檢定工作提出了新的要求，而且大部分流量積算儀在檢定時(shí)都會(huì)遇到以上的問(wèn)題。作為檢定工作者，不僅應(yīng)清楚不同類(lèi)型的流量積算儀和流量傳感器的操作方法、工作原理，更應(yīng)熟知詳細(xì)的檢定過(guò)程。只有這樣才能從本質(zhì)上分析問(wèn)題，更加快捷處理檢定工作中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)一步提高我們的計(jì)量水平。本文是依據(jù)多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，可為今后處理類(lèi)似的問(wèn)題提供參考。

［1］蘇彥勛.流量計(jì)量與測(cè)試［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1992.

［2］王池.流量測(cè)量不確定度分析［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1003-2005 流量積算儀檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2005.