智能流量積算儀檢定中一點(diǎn)問(wèn)題的思考

李建鵬 崔耀華 周文輝 孫彥楷

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

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智能流量積算儀檢定中一點(diǎn)問(wèn)題的思考

李建鵬 崔耀華 周文輝 孫彥楷

(河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

單片機(jī)的問(wèn)世和快速發(fā)展，大大提高了智能流量積算儀的流量計(jì)算精度、可靠性、穩(wěn)定性等性能。市場(chǎng)上也出現(xiàn)了種類繁多的流量積算儀，各儀表的技術(shù)和設(shè)置參數(shù)各異。在檢定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一些使用一定時(shí)間后的流量積算儀會(huì)出現(xiàn)溫度、壓力信號(hào)的漂移，嚴(yán)重的會(huì)使儀表示值誤差超出要求的精度范圍。本文針對(duì)一種配合渦街流量計(jì)、Pt100鉑電阻、壓力變送器，用于過(guò)熱蒸汽計(jì)量，可在二級(jí)參數(shù)中校準(zhǔn)流量、溫度、壓力等信號(hào)的流量積算儀。首先在理論上分析影響流量積算儀計(jì)算精度的各輸入?yún)?shù)測(cè)量原理，理論上得出Pt100鉑電阻是影響計(jì)量的最大影響因素；然后結(jié)合檢定過(guò)程實(shí)際檢定數(shù)據(jù)，提出在檢定此類可校準(zhǔn)輸入信號(hào)的流量積算儀時(shí)，應(yīng)先校準(zhǔn)輸入信號(hào)再檢定。希望在以后的流量積算儀檢定規(guī)程修訂中，能夠根據(jù)現(xiàn)在各類積算儀性能細(xì)化檢定方法。

智能流量積算儀；測(cè)量原理；溫度漂移；過(guò)熱蒸汽計(jì)量；測(cè)量誤差

0 引言

流量積算儀作為流量計(jì)量的二次儀表，也是直接面向用戶的部分，其能夠有效地監(jiān)測(cè)和控制流量。單片機(jī)的出現(xiàn)和不斷提高的性能,促進(jìn)了儀表的智能化進(jìn)程?；趩纹瑱C(jī)的智能流量積算儀具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、低功耗等特點(diǎn)[1]，能與渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等速度式流量計(jì)和孔板、V錐等差壓式流量計(jì)配合，計(jì)算瞬時(shí)和累計(jì)流量，同時(shí)還可接入模擬電流、電壓的溫度和壓力傳感器，并具有RS 485或RS232通訊。

一般情況下，智能流量積算儀在出廠時(shí)，各流量、壓力和溫度通道都會(huì)經(jīng)過(guò)出廠標(biāo)定，但是在使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)溫度或壓力出現(xiàn)漂移，智能儀表顯示值偏差大的情況。而標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量、飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽密度等的換算和計(jì)算完全是依據(jù)介質(zhì)溫度和壓力參數(shù)測(cè)量，各通道參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)就會(huì)給瞬時(shí)、累積流量帶來(lái)很大誤差，給貿(mào)易結(jié)算雙方帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)利益損害?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流量積算儀種類繁多，功能參差不齊，有的積算儀帶溫度和壓力標(biāo)定功能，有的只在出廠時(shí)標(biāo)定，在后期使用中不能標(biāo)定。下面就一種配合渦街流量計(jì)、壓力變送器和Pt100鉑電阻，用于過(guò)熱蒸汽計(jì)量的智能積算儀在理論上和實(shí)際使用中，溫度和壓力對(duì)流量積算儀計(jì)量性能的影響作以分析。

1 智能流量積算儀

1.1 Pt100鉑電阻測(cè)量及補(bǔ)償原理

熱電阻是基于導(dǎo)體或是半導(dǎo)體電阻隨溫度而變化這一特性進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，還被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。目前在蒸汽計(jì)量上應(yīng)用最多的是鉑電阻。

目前，熱電阻主要有二線、三線和四線三種引線方法。在蒸汽計(jì)量上基本上都采用三線制接線方法。為了補(bǔ)償一定的接線電阻對(duì)鉑電阻測(cè)量的影響，一般采用電橋法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 三線制平衡電橋法測(cè)量原理圖

圖2 理論值與實(shí)際值

1.2 壓力、流量信號(hào)影響分析

由于A/D轉(zhuǎn)換不能直接針對(duì)電流信號(hào)，所以在轉(zhuǎn)換前應(yīng)先采用類似圖3的轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

通過(guò)短路環(huán)將R1、R2和R3電阻短接,就可以把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。通常R1和R3阻值較大，容易產(chǎn)生電壓阻塞效應(yīng)，接入小電阻R2是為了避免電壓阻塞效應(yīng)。轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)后,再接入放大電路轉(zhuǎn)換成所需要的基準(zhǔn)電壓就可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換了。而現(xiàn)在采用較高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器，在使用中就可以直接忽略掉壓力測(cè)量帶來(lái)的誤差影響[4]。

在供暖中經(jīng)常使用的渦街流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)，儀表的定時(shí)由晶振分頻而來(lái)，通過(guò)調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以精確定時(shí), 易達(dá)到優(yōu)于土0.1 % 的精度。在流量積算儀計(jì)算中脈沖流量信號(hào)的影響可忽略不計(jì)。

2 流量積算儀檢定及結(jié)果分析

依據(jù)JJG 1003—2005《流量積算儀》檢定規(guī)程，流量積算儀的檢定方法包括外觀及功能檢查、基本誤差檢定、小信號(hào)切除、電源變化影響、絕緣電阻和絕緣強(qiáng)度等內(nèi)容[5]。在儀表使用一定時(shí)間后，主要變化的項(xiàng)目是流量計(jì)算的基本誤差。文中將針對(duì)山東思達(dá)特ST901A型，編號(hào)為1010645的流量積算儀在檢定過(guò)程中遇到的問(wèn)題作以分析。此流量積算儀與渦街流量計(jì)、壓力變送器、Pt100鉑電阻配合，用于過(guò)熱蒸汽的計(jì)量。依據(jù)檢定規(guī)程要求，具體接線示意圖如圖4所示。

圖4 接線示意圖

依據(jù)檢定規(guī)程中附錄B.1.5，該過(guò)熱蒸汽計(jì)量的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：qm為質(zhì)量流量，t/h;F為頻率，Hz；ρ為過(guò)熱蒸汽密度，kg/m3。

由式(1)可知，流量積算儀的誤差主要來(lái)源于脈沖信號(hào)測(cè)量和密度計(jì)算環(huán)節(jié)。在GB 9248—88《不可壓縮流體流量計(jì)性能評(píng)定方法》[6]中給出了由溫度和壓力計(jì)算密度的定量計(jì)算公式。所以，積算儀的誤差主要是受脈沖信號(hào)、溫度、壓力測(cè)量的影響。該流量積算儀二級(jí)參數(shù)設(shè)置為：儀表系數(shù)K為2515/m3，壓力為0～1.6MPa，溫度為0～405℃，檢定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 校準(zhǔn)前檢定數(shù)據(jù)

由此可得出，該流量積算儀的瞬時(shí)流量示值誤差超過(guò)規(guī)程對(duì)0.5級(jí)儀表的要求，示值誤差超差，依據(jù)規(guī)程可判定為不合格。但仔細(xì)研究可發(fā)現(xiàn)，雖然依據(jù)Pt100鉑電阻分度表，給該積算儀加載了對(duì)應(yīng)于200℃的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，但是該儀表顯示的溫度卻為198.3℃，壓力示值顯示正常。在該智能流量積算儀二級(jí)參數(shù)設(shè)定中，有如圖5所示的可校準(zhǔn)流量、壓力、溫度和熱阻的選項(xiàng)。

圖5 ST901A二級(jí)參數(shù)設(shè)定界面

而后，針對(duì)此儀表在檢定中鉑電阻輸出溫度不準(zhǔn)的情況進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后輸入175.86Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻值時(shí)，該儀表顯示溫度為200.05℃。重新檢定該儀表的數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)流量積算儀檢定規(guī)程中對(duì)0.5級(jí)的要求，可以看出該儀表的瞬時(shí)流量示值誤差在合格范圍內(nèi)，可以出具檢定證書。

表2 校準(zhǔn)后檢定數(shù)據(jù)

流量積算儀瞬時(shí)流量、累積流量、熱值的計(jì)算是通過(guò)流量積算儀核心處理器由采集來(lái)的流量、溫度、壓力等信號(hào)，依據(jù)程序中合適的數(shù)學(xué)模型計(jì)算而來(lái)。而Pt100鉑電阻和壓力信號(hào)首先需經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，還要經(jīng)過(guò)一次或多次運(yùn)算放大器。在實(shí)際運(yùn)用中，運(yùn)放一定存在溫漂或穩(wěn)定性的問(wèn)題，這就是流量積算儀在使用一定時(shí)間后會(huì)降級(jí)使用或是示值誤差超差的原因所在。雖然現(xiàn)在有些智能流量積算儀可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，但是硬件中隨著時(shí)間不可逆轉(zhuǎn)的變化，可能不能完全校準(zhǔn)過(guò)來(lái)，在實(shí)際的檢定過(guò)程中，建議先對(duì)此類儀表的輸入信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，如校準(zhǔn)后還不能夠滿足規(guī)程要求，可開具不合格證書。

3 結(jié)論

用于過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽計(jì)量的智能流量積算儀，溫度的誤差對(duì)積算儀計(jì)量準(zhǔn)確性影響很大。在日后檢定過(guò)程中，建議對(duì)可校準(zhǔn)輸入?yún)?shù)的此類儀表先校準(zhǔn)輸入?yún)?shù)后再檢定。在以后流量積算儀規(guī)程的修訂中，希望能細(xì)化檢定方法，可考慮對(duì)生產(chǎn)廠家提出加入對(duì)輸入通道校準(zhǔn)的人機(jī)界面，從而提高儀表的使用精度及年限。

[1] 安徽天康(集團(tuán))股份有限公司．智能流量積算儀使用規(guī)范書[Z]

[2] 李挺,朱金剛,趙良煦.熱電阻測(cè)溫儀導(dǎo)線電阻補(bǔ)償新方法[J].電子測(cè)量技術(shù),2001(1):38-39

[3] 甘英俊， 周宏平.基于三線制的高精度熱電阻測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2010,18(12)：31-37

[4] 劉正宣,靳斌.基于ADuC847 的溫度校準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009(2):35-39

[5] JJG 1003—2005 流量積算儀檢定規(guī)程[S]

[6] GB 9248—88不可壓縮流體流量計(jì)性能評(píng)定方法[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.20