氣體流量計遠程校準系統(tǒng)研究*

陳桂林，程 佳，黃震威，周金龍，沈文新

(1.中國計量學(xué)院，浙江 杭州310018;2.浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州310018;3.浙江省知識產(chǎn)權(quán)研究與服務(wù)中心，浙江 杭州310006)

0 引 言

遠程校準相對于傳統(tǒng)計量校準更快捷和低成本，因此得到了快速的發(fā)展。目前，遠程校準主要在美國、英國、德國和日本等國家開展得比較普遍，尤其是日本，由于其很多跨國公司的生產(chǎn)車間都設(shè)立在第三國，對生產(chǎn)車間計量檢測設(shè)備的校準迫使其大力發(fā)展遠程校準技術(shù)［1］。在能源計量器具遠程校準方面美國國家標準和技術(shù)研究院(NIST)開展了氣體流量計的遠程校準服務(wù)，德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究院(PTB)進行了高壓天然氣流量基準的遠程校準，日本國家計量院(NMIJ)開展的項目很多，其中也包括流量計的遠程校準［2～4］。

2005 年，日本首次在海外與橫河電機(蘇州)有限公司對記錄儀、流量計時間頻率進行遠程校準實驗，開始了遠程校準技術(shù)的實際應(yīng)用［5］。同時，羅馬尼亞科學(xué)家Mihaela M博士提出了使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合數(shù)據(jù)的安全性和完整性檢查，建立遠程校準代理系統(tǒng)，通過實驗顯示該方法具有實際應(yīng)用有效性［6］。在2008 年的國際計量技術(shù)研討會上，關(guān)于電能表的遠程校準提上了議程［7］，各國都在開展遠程校準技術(shù)的研究。

我國開展了電能計量在線監(jiān)測與遠程校準的研究，研發(fā)了基于GPS 同步時鐘的電能計量時鐘基頻測試與校準裝置，在基于等效阻抗測量的電壓/電流互感器低校高校驗方法的基礎(chǔ)上，提出了電壓/電流互感器(TV/TA)的現(xiàn)場實時校準方法［8］。在天然氣計量上開展了基于聲速比較的超聲流量計在線監(jiān)測的研究，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠程在線檢測［9］，但對于其他天然氣流量計如羅茨流量計、渦輪流量計等的遠程校準技術(shù)研究較少。

本文提出并設(shè)計了基于標準標法的氣體流量計遠程校準系統(tǒng)，研制了數(shù)據(jù)采集終端，開發(fā)遠程校準軟件平臺，最后搭建了實驗系統(tǒng)，進行實驗研究。

1 原理與計算模型

1.1 遠程校準原理

本文采用標準表法設(shè)計遠程校準系統(tǒng)，其原理如圖1所示。首先溯源標準表，可靠的量值溯源鏈是遠程校準技術(shù)的關(guān)鍵，本設(shè)計采用了被檢表(現(xiàn)場)—標準傳遞表—標準裝置的量值溯源鏈;當需要校準流量計時，再將其轉(zhuǎn)移到校準現(xiàn)場，進行校準實驗;獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回到軟件平臺(校準實驗室)，平臺再對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到校準結(jié)果;最后再將標準表運返到校準實驗室。

圖1 遠程校準原理圖Fig 1 Principle diagram of remote calibration

1.2 計算模型

目前使用的大、中流量氣體流量儀表主要有羅茨流量計、渦輪流量計、超聲流量計等，校準內(nèi)容的主要有示值誤差、儀表系數(shù)、重復(fù)性等參數(shù)。

1.2.1 示值誤差

單次測量的示值誤差E 為

式中 Qm為被檢流量計的累積流量值，m3;Qs為與Qm在同溫同壓下的標準器累積流量值，m3。當標準表的氣體狀態(tài)和被檢表的氣體狀態(tài)不一致時，Qs應(yīng)按下式計算

式中 Q 為標準器累積流量示值，m3;pn為大氣壓力，Pa;ts，tm分別為被檢表和標準表處的氣體溫度，K;ps，pm分別為標準表和被檢流量計處的氣體表壓力，Pa;φs，φm分別為標準器內(nèi)和被檢流量計處的氣體相對濕度;pHsmax，pHmmax分別為標準器內(nèi)和被檢流量計處的飽和水蒸汽壓力，Pa;Zs，Zm分別為標準表和被檢流量計處的氣體壓縮系數(shù)，當標準器與被檢流量計間的壓力差小于一個大氣壓時，可視Zs=

1.2.2 儀表系數(shù)

每個流量校準點單次測量的流量計儀表系數(shù)K 為

式中 Kij為第i 流量點、第j 次檢定系數(shù)，1/m3。Nij為第i 個流量點、第j 次脈沖數(shù)。Qsij為第i 個流量點、第j 次檢定的Qs值。

檢定流量點的平均儀表系數(shù)Ki為

式中 Ki為流量點的平均系數(shù)，n 為測量次數(shù)。流量計的平均儀表系數(shù)為

1.2.3 重復(fù)性

每個測量點的重復(fù)性計算公式為

式中 (ER)i為第i 個點的重復(fù)性;Kij為第i 流量點、第j 次檢定系數(shù);Ki為流量點的平均系數(shù);n 為測量次數(shù)，或者

式中 (ER)i為第i 個點的重復(fù)性;Kimax中檢定點中的最大一個系數(shù);Kimin檢定點中的最小一個系數(shù)，dn為極差系數(shù)，流量計的重復(fù)性為

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括遠程校準軟件平臺、數(shù)據(jù)采集終端和標準表等。圖2 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)硬件主要包括計算機、數(shù)據(jù)采集終端、標準表、閥門、濕度計、溫度和壓力傳感器等。其中，計算機在校準實驗室，其余設(shè)備安裝在校準現(xiàn)場。

壓力傳感器有絕對壓力和差壓傳感器，外輸4 ～20 mA電流信號，絕對壓力傳感器作參比壓力之用，差壓傳感器分別用于測量被檢表與標準表入口壓力。溫度傳感器輸出4 ～20 mA 電流信號，其測量環(huán)境溫度以及被檢表和標準表的入口溫度。濕度計用于測量空氣濕度。

信息采集器主頻較高，計時模塊使用信息采集器內(nèi)部定時器，其計數(shù)時鐘使用主頻時鐘，計時精度高?；静捎秒p計時法檢定原理［10］對數(shù)據(jù)進行修正，使校準保持“同步”。

2.2 遠程校準軟件平臺

軟件平臺采用LabVIEW 軟件作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，它擁有大量的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等［10］。平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收基站傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理分析，生成證書并存儲，其流程圖如圖3。

圖2 遠程校準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of remote calibration system

圖3 軟件平臺程序流程圖Fig 3 Program flow charts of software platform

軟件平臺主要有三個子程序模塊:其一為數(shù)據(jù)處理模塊，用來對數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)進行分析處理和存儲并顯示校準結(jié)果，生成證書等;其二是為通信服務(wù)的通信模塊，主要用來建立通信連接和實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;其三為數(shù)據(jù)庫管理模塊，主要用來管理校準信息和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算出被檢表的示值誤差、儀表系數(shù)和重復(fù)性等參數(shù)，然后生成校準證書。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端包括信息采集器和基站兩部分。信息采集器采用ARMCortex－M3 內(nèi)核芯片STM32F103 作為核心，它擁有8 路10 位4 ～20 mA 電流信號采集模塊、2 路脈沖信號采集模塊和射頻通信模塊等。程序流程圖如圖4，首先初始化，并與基站建立通信連接，等待指令。

基站以S3C6410 芯片作為核心處理器，采用基于Linux的嵌入式開發(fā)平臺QT/E 作為開發(fā)平臺，QT/E 提供給應(yīng)用程序開發(fā)者大部分的功能來完成建立合適、高效的圖形界面程序［11］，基站實現(xiàn)對校準參數(shù)的設(shè)置并與信息采集器進行數(shù)據(jù)通信，基站可以匹配多個信息采集器，組成無線自組網(wǎng)絡(luò)?；九c平臺通過互聯(lián)網(wǎng)通信，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，選擇TCP 傳輸協(xié)議。程序流程圖如圖5，程序運行時，首先初始化并與平臺和信息采集器建立通信連接，然后等待用戶操作。當用戶設(shè)置參數(shù)，點擊“開始校準”后，基站自動完成數(shù)據(jù)的接收和上傳。

圖4 信息采集器程序流程圖Fig 4 Program flow chart of information collector

圖5 基站程序流程圖Fig 5 Program flow chart of base station

3 實驗與分析

3.1 實驗裝置設(shè)計

裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示，由氣泵、流量計、管道、傳感器和閥門等組成。目前天然氣行業(yè)大多使用氣體超聲流量計、氣體羅茨流量計和氣體渦輪流量計等作為計量器具，該裝置中即以這三種流量計作為研究對象，通過對閥門開閉的控制實現(xiàn)流量計的串聯(lián)或并聯(lián)連接形式。流量大小由閥門的開度控制。標準表選用渦輪流量計，其精度為±0.50%，流量范圍為6 ～100 m3/h，輸出信號為4 ～20 mA和脈沖信號。被校表為羅茨流量計，其精度為±1.0%，流量范圍為0.5 ～65 m3/h，輸出脈沖信號和4 ～20 mA 電流信號。

圖6 實驗裝置照片F(xiàn)ig 6 Photo of experimental device

3.2 實驗過程

該實驗過程如下:1)校準標準表。2)將標準表運送到客戶端現(xiàn)場，實現(xiàn)標準的遠程傳遞。3)安裝標準流量計和被檢流量計，進行遠程校準實驗，測量數(shù)據(jù)傳送到校準實驗室。4)校準完成后將標準表運回校準實驗室。圖7 為遠程標準實驗示范圖。

圖7 遠程校準實驗示范示意圖Fig 7 Demonstration diagram of remote calibration experiment

3.3 實驗結(jié)果

選取60，35，14 m3/h 三個流量點開展校準實驗，數(shù)據(jù)采集終端同步采集標準表、被檢表和傳感器的脈沖信號和電流信號，計算出流量、溫度、壓力和濕度等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)實時準確傳送到遠傳校準軟件平臺，平臺接收數(shù)據(jù)，并自動分析出校準結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)分析

測量結(jié)果的不確定度主要有兩部分組成:校準裝置的B 類不確定度和測量數(shù)據(jù)的A 類不確定度。

1)校準裝置不確定度

主要來源是標準流量計的不確定度和溫度、壓力、濕度和時鐘等引起的不確定度。

渦輪流量計經(jīng)校準的等級為0.5 級，視作U(E1)=0.5%，k=2，即ur(E1)=0.25%。

時鐘晶振為8 Mz，其精度為±50 μs，保守估計時間不確定度為ur(t)=0.01%;由于實驗中脈沖采集時間相對較長，其時間不同步引起的誤差可忽略不記。

壓力變送器的精度為0.075%，按均勻分布計算得到

標準表處與被檢表壓力的合成不確定度為

溫度變送器的精度為±0.1 ℃，按均勻分布得到

則標準表處的溫度不確定度為ur(Ts)=u4=0.02%，被測表處的溫度不確定度為ur(T)=u4=0.02%。

流經(jīng)標準流量計和被檢流量計的氣體成分一樣，其濕度產(chǎn)生的不確定度可忽略不記。

校準裝置的合成不確定度為

2)測量數(shù)據(jù)不確定度分析

表1 為渦輪流量計校準羅茨流量計測量數(shù)據(jù)。單次測量的最大示值誤差為E=2.4%，流量計的平均儀表系數(shù)

校準結(jié)果的A 類不確定度為

羅茨流量計校準結(jié)果的合成不確定度為

取k=2，得到羅茨流量計校準結(jié)果的擴展不確定度為

U=ku=0.52%.

羅茨流量計的校準結(jié)果為

K=22641±117(1/m3).

4 結(jié) 論

系統(tǒng)運行6 個月，開展遠程校準實驗數(shù)10 次，運行穩(wěn)定，平臺與數(shù)據(jù)采集終端通信良好，數(shù)據(jù)傳輸實時準確，能滿足遠程校準實際使用要求，將在能源企業(yè)開展示范工程，為能源計量器具遠程校準提供技術(shù)支撐。

表1 渦輪流量計校準羅茨流量計測量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement datas of turbine flowmeter calibration roots flowmeter

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