智能水表測量特性計算機(jī)校正方法的風(fēng)險與控制

Risk and Control of the Computerized Correction Method for Measuring Characteristics of Intelligent Water Meter

姚　靈1，2

(寧波水表股份有限公司1，浙江 寧波　315032；浙江省水表研究院2，浙江 寧波　315032)

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智能水表測量特性計算機(jī)校正方法的風(fēng)險與控制

Risk and Control of the Computerized Correction Method for Measuring Characteristics of Intelligent Water Meter

姚靈1，2

(寧波水表股份有限公司1，浙江 寧波315032；浙江省水表研究院2，浙江 寧波315032)

摘要：所有含嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和電子顯示器的智能水表都要涉及智能水表流量測量特性的計算機(jī)校正。校正方法的推廣應(yīng)用將會有效地改善葉輪、超聲、電磁、射流式等流量傳感器因原理的或非原理的非線性輸入-輸出特性造成的使用范圍變窄、測量誤差超差的問題。在選用校正方法和對成批出廠產(chǎn)品校正時，會存在由于校正不當(dāng)或產(chǎn)品特性發(fā)散而出現(xiàn)的質(zhì)量風(fēng)險，可通過制定校正技術(shù)規(guī)范等方法控制。

關(guān)鍵詞：智能水表流量傳感器儀器儀表信號處理誤差校準(zhǔn)風(fēng)險控制

Abstract：All the intelligent water meters containing embedded computer system and electronic display are involving computerized correction for flow measurement characteristics of the intelligent water meters.The popularization and application of the correction method effectively improve the problems of usable scope becoming narrow and measurement error being out-of-tolerance for vane,ultrasonic,electromagnetic and fluidic flow sensors,caused by principle or the non-principle nonlinear input-output characteristics.In selecting correction methods,and correcting batch manufactured products,the quality risks may exist because of improper correction or diverging product characteristics,these risks may be controlled through formulating technical specifications of correction.

Keywords:Intelligent water meterFlowSensorInstrumentationSignal processingErrorCalibrationRisk control

0引言

水表流量測量特性的計算機(jī)校正是智能水表的一項重要核心技術(shù)[1]。通過這項技術(shù)，可以對智能水表流量測量特性的非線性部分作出數(shù)字化校正，使其在測量范圍內(nèi)的示值誤差符合標(biāo)準(zhǔn)的要求[2-3]。

智能水表流量測量特性主要由傳感器特性決定，常見的傳感器有葉輪式、超聲式、射流式和電磁式等。當(dāng)測量范圍拓寬時，這些傳感器就會表現(xiàn)出明顯的非線性[4]。 采用嵌入式計算機(jī)校正智能水表非線性特性的方法有很多，但要證明校正后水表在流量測量范圍內(nèi)的示值誤差均落在期望區(qū)間內(nèi)，需要建立一套科學(xué)的評判標(biāo)準(zhǔn)和方法，進(jìn)行有效識別和確認(rèn)。

1智能水表流量測量特性的計算機(jī)校正方法

1.1特性校正技術(shù)的應(yīng)用范圍及原理

智能水表流量測量特性的計算機(jī)校正方法主要適用于內(nèi)置嵌入式微型計算機(jī)系統(tǒng)、相關(guān)信號處理軟件和算法，以及電子顯示器的電子水表和帶電子裝置的機(jī)械水表，如葉輪式電子顯示水表、超聲水表、射流水表、電磁水表等。

當(dāng)水表葉輪等機(jī)械運動傳感機(jī)構(gòu)輸出的旋轉(zhuǎn)量通過機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電信號，或由無機(jī)械運動傳感機(jī)構(gòu)的流量傳感器(如超聲、射流、電磁等)輸出的電信號經(jīng)信號預(yù)處理單元處理輸入到計算機(jī)，水表就具備了對其“輸入-輸出”特性進(jìn)行數(shù)字化非線性校正的條件。校正的目的是希望水表的“輸入-輸出”特性曲線呈現(xiàn)線性(直線)特性，以保證其在設(shè)計流量測量范圍內(nèi)的示值誤差曲線形狀接近于直線，見圖1和圖2。

圖1　葉輪式水表“輸入-輸出”特性

圖2　葉輪式水表示值誤差曲線

水表“輸入-輸出”特性校正原理是：在輸入標(biāo)準(zhǔn)量(即確定的瞬時流量與相應(yīng)體積值)的條件下，對水表的輸出量(如轉(zhuǎn)速、時間差、脈沖數(shù)或電壓值)進(jìn)行測量與比較，通過設(shè)置分段系數(shù)校正或擬合直線校正等方法，使水表在測量范圍內(nèi)的各輸出量接近或等于標(biāo)準(zhǔn)量。

成批水表校正方法是：① 從一批制造完工的智能水表產(chǎn)品中隨機(jī)抽取幾個樣品水表進(jìn)行測量，在輸入多點標(biāo)準(zhǔn)流量及用水量的條件下獲取其在設(shè)計流量范圍內(nèi)平均“輸入-輸出”特性或示值誤差曲線；② 任選一種合適方法確定其校正系數(shù)，對特性進(jìn)行校正；③校正系數(shù)經(jīng)充分驗證后，將其寫入所有出廠水表的計算機(jī)；④ 所有出廠水表產(chǎn)品須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求完成其出廠示值誤差的檢驗工作。

1.2常用特性校正方法

智能水表常用特性校正方法主要有：分段(獨立)校正法、分段(關(guān)聯(lián))校正法、分段擬合直線校正法、多項式擬合曲線校正法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正法等[5-6]。其中分段(獨立)校正法和分段(關(guān)聯(lián))校正法是目前用得最多的校正方法，它的優(yōu)點是使用簡單、方便，占用計算機(jī)資源少;缺點是誤差曲線離散，有“斷點”。分段擬合直線法正在部分企業(yè)中使用，尚在試驗摸索階段，有待于實現(xiàn)檢驗。其他幾種校正法則用得較少，究其原因是相對復(fù)雜，計算量較大[7]。

1.3分段校正方法存在的問題

目前主流校正方法是分段校正法，它將水表的“輸入-輸出”特性或誤差曲線劃分成若干段，經(jīng)實流校準(zhǔn)后對每一段特性或曲線分別給出獨立(或關(guān)聯(lián))的校正系數(shù)[8]。這種做法由于有下列因素存在而隱含校正風(fēng)險和問題。

(1)分段校正導(dǎo)致水表誤差曲線離散化。

采用分段校正法的水表，分段處的誤差曲線不連續(xù)，呈現(xiàn)離散特性和“斷點”現(xiàn)象，而且這些“斷點”處的誤差變化大，見圖3。當(dāng)水表在“斷點”流量值附近計量用水時，其示值誤差就會頻繁跳變，對實時準(zhǔn)確計量不利。

圖3　分段校正后水表的離散誤差曲線

(2)批特性發(fā)散易造成校正水表部分測量段超差。

當(dāng)成批水表因加工、裝配不善導(dǎo)致其測量特性出現(xiàn)較嚴(yán)重的平移發(fā)散時，部分特性偏離均值較大水表的誤差曲線雖經(jīng)分段(獨立)校正法校正，但仍難保證曲線中某些測量段的示值誤差不超差，見圖4。對于這些特性發(fā)散較大但曲線形狀基本不變的成批水表，出廠檢驗時如選用有限個流量檢驗點測量(如Q1、Q2、Q3等點)，其對應(yīng)的示值誤差既有可能出現(xiàn)全部合格或未顯著偏離原校正值，也可能出現(xiàn)示值誤差超差或顯著偏離原校正值。

圖4　校正后水表的示值誤差曲線

①對出廠檢驗流量點示值誤差全部合格或未發(fā)生顯著偏離原校正值的水表，通常可以認(rèn)為其非檢驗流量點的示值誤差也是合格的。

②對出廠檢驗流量點示值誤差出現(xiàn)超差或顯著偏離原校正值的水表，通過對這些檢驗流量點的重新校正，可以使其示值誤差回到原來合格范圍內(nèi)；但對于非檢驗流量點的示值誤差則不能保證其全部合格。對此，最保險的做法是將所有非檢驗流量點的分段示值全部進(jìn)行重新校正，代價是校正成本過高、占用時間過長。

(3)縮小誤差范圍需要用更多的校正分段數(shù)。

為使校正后水表的示值誤差控制在較小區(qū)間內(nèi)(如1級準(zhǔn)確度水表，其最大允許誤差幾乎比2級水表縮小一半)，必須將誤差曲線劃分成很多段，大大增加校正時間，降低校正效率。當(dāng)出現(xiàn)成批產(chǎn)品特性發(fā)散嚴(yán)重時，其校正成本則會更高。

1.4誤差曲線形狀改變易致原有校正失效

成批制造的葉輪式水表由于零部件加工及裝配不善，除了會出現(xiàn)特性平移發(fā)散外，部分水表還會出現(xiàn)誤差曲線形狀改變的情況，見圖5。形狀改變嚴(yán)重時會打亂原先的校正，導(dǎo)致某些流量分段誤差超差。此時需要對所有分段進(jìn)行逐個重新校正，以保證全范圍示值誤差合格。

圖5　水表流量測量特性未校正時的誤差曲線發(fā)散圖

2與特性校正技術(shù)相關(guān)的幾個問題

基于上述原因，建立智能水表流量測量特性校正技術(shù)規(guī)范、樹立正確的儀表設(shè)計觀、統(tǒng)一校正技術(shù)與出廠試驗方法是十分必要的。它對確保智能水表出廠質(zhì)量、提升水表產(chǎn)品測量準(zhǔn)確性、維護(hù)水表作為貿(mào)易結(jié)算的強制性計量器具屬性也是非常重要的。

2.1規(guī)定特性校正水表出廠技術(shù)要求

智能水表特性校正方法很多，隨著技術(shù)進(jìn)步，相信還會有更多更好的校正方法可供水表設(shè)計人員選擇。我們不能強制規(guī)定和要求采用哪種方法校正水表測量特性，但可以規(guī)定特性校正后水表的示值誤差應(yīng)全面符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

由于大部分智能水表可以通過人為校正方法來改變其測量特性和誤差，因此如果缺乏監(jiān)管就會導(dǎo)致特性校正水表的計量性能失控，造成嚴(yán)重后果。傳統(tǒng)機(jī)械水表可以采用鉛封設(shè)施對出廠水表產(chǎn)品的性能實施有效控制和管理；而對測量特性可以通過軟件校正的智能水表，僅僅采用機(jī)械鉛封是不能滿足控制和管理要求的，因此需要采用電子封印等方法加以控制和管理。

2.2采用高效可靠的特性校正方法

分段校正方法將水表誤差曲線人為地分割成若干個離散段，它既不利于減小水表測量誤差、提高測量準(zhǔn)確度，也不利于提高校正效率。通常，擬合直線(曲線)方法是一種比較有效的校正方法，值得嘗試和探索。

圖6　對射式寬范圍超聲水表誤差曲線校正圖

2.3加強電子封印管理

電子封印管理是涉及智能水表(帶電子裝置水表和電子水表)的一種科學(xué)的數(shù)據(jù)管理方法，也是水表產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 778—2007)所規(guī)定的方法。加強電子封印管理是確保智能水表出廠計量特性受到法制計量控制的有效途徑，因此必須受到高度重視和認(rèn)真執(zhí)行[9]。

3控制特性校正風(fēng)險的技術(shù)依據(jù)

3.1GB/T 778-2007標(biāo)準(zhǔn)描述和要求

(1) 對水表“校正裝置”的定義：連接或安裝在水表中，在計量條件下根據(jù)被測水的流量和(或)特性(例如：溫度和壓力)以及預(yù)先確定的校準(zhǔn)曲線自動修正體積的裝置。

(2) 對水表“校正裝置”的規(guī)定。①水表可以配備校正裝置，校正裝置是水表的組成部分。所有適用于水表的要求，尤其是規(guī)定的最大允許誤差要求也適用于計量條件下的修正體積。②正常工作情況下應(yīng)不顯示未經(jīng)修正的體積。③使用校正裝置的目的是盡可能把誤差減少到零。④開始測量時，應(yīng)將校正所需的所有非測量參數(shù)輸入計算器。型式批準(zhǔn)試驗證書可能會對檢驗這些參數(shù)作出規(guī)定。這些參數(shù)對于正確鑒定校正裝置是必不可少的。⑤校正裝置應(yīng)不允許校正預(yù)測漂移，例如與時間和體積有關(guān)的漂移。⑥不得利用校正裝置將水表的示值誤差調(diào)整到不接近零的值，即使該值仍在最大允許誤差范圍內(nèi)。

(3) 對水表“計算器”的規(guī)定。①開始計量時，計算器中應(yīng)存有產(chǎn)生受法制計量管理的示值所需的所有參數(shù)，如計算表或校正多項式等。②計算器可以配備接口同外部裝置連接。使用這些接口時，水表的硬件和軟件應(yīng)繼續(xù)正常工作，其計量功能應(yīng)不受影響。

(4) 對水表“電子封印”的規(guī)定。①當(dāng)機(jī)械封印不能防止接觸對確定測量結(jié)果有影響的參數(shù)時，應(yīng)采用如下防護(hù)措施：借助密碼(關(guān)鍵詞)或特殊裝置(例如鑰匙)只允許授權(quán)人員接觸參數(shù);密碼應(yīng)能更換。②至少應(yīng)記憶最后一次干預(yù)行為。記錄中應(yīng)包括日期和識別實施干預(yù)的授權(quán)人的特征要素。如果下一次干預(yù)未覆蓋前一次干預(yù)的記錄，至少應(yīng)保證兩年的追溯期。如果能記憶兩次以上的干預(yù)，但必須刪除原有記錄才能記錄新的干預(yù)，應(yīng)刪除最早的記錄。

(5) 對水表計量性能的規(guī)定(參照ISO 4064-2014標(biāo)準(zhǔn))：1級和2級準(zhǔn)確度水表的最大允許誤差應(yīng)符合高區(qū)不大于±1%和±2%、低區(qū)不大于±3%和±5%的要求；測量重復(fù)性指標(biāo)應(yīng)符合不大于最大允許誤差1/3的要求[10]。

3.2規(guī)范水表特性校正方法的幾項基本原則

(1) 示值誤差均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

特性校正水表的示值誤差在設(shè)計流量測量范圍內(nèi)必須全部符合水表產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。因此在出廠檢驗時，除了在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三個流量點(或型式評價時的七個流量點)必須符合最大允許誤差的要求外，在流量測量范圍內(nèi)的任意流量點的示值誤差，也必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

(2)需要規(guī)定測量重復(fù)性。

測量重復(fù)性指標(biāo)是計量儀表最重要的性能指標(biāo)之一。在最新頒布的ISO 4064-2014標(biāo)準(zhǔn)中已設(shè)置了該項技術(shù)指標(biāo)，并規(guī)定水表的測量重復(fù)性不得超過最大允許誤差的1/3。如果沒有測量重復(fù)性指標(biāo)作保證，水表特性校正則是毫無意義的。

(3)校正系數(shù)的控制與管理。

校正確定的符合標(biāo)準(zhǔn)要求的系數(shù)具有法制計量屬性，不能隨意進(jìn)行改變，需要嚴(yán)格受控和管理。除了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電子密鑰原則外，尚需進(jìn)一步規(guī)范校正系數(shù)的控制和管理，如：規(guī)定密鑰(密碼)的基本要求、修改程序及日常維護(hù)等問題。

(4)擬制定特性校正控制規(guī)范的技術(shù)要求。

①最大允許誤差：1級和2級準(zhǔn)確度(ISO 4064-2014)

②測量重復(fù)性：不超過最大允許誤差的1/3(ISO 4064-2014)

③在流量測量范圍內(nèi)，水表示值誤差均應(yīng)符合最大允許誤差的要求(抽查任意流量點的示值誤差均應(yīng)在最大允許誤差范圍內(nèi))。

④電子封?。盒Ｕ禂?shù)修改管理方法(秘鑰的設(shè)立與管理等)。

⑤附錄：批特性不合格水表產(chǎn)品的處理方法。

4結(jié)束語

如何規(guī)范智能水表流量測量特性的校正、控制和防范存在的風(fēng)險，是一項新的研究課題，對行業(yè)技術(shù)進(jìn)步來說也是一項必須盡早解決的重要問題[11]。它關(guān)系到校正后水表的測量準(zhǔn)確度，關(guān)系到校正過程的效率和成本，并且與水表流量傳感器的加工和裝備水平息息相關(guān)。因此在此項工作的實施過程中，既要慎重仔細(xì)，又要加快推進(jìn)步伐，使測量特性的計算機(jī)校正乃至參數(shù)補償?shù)裙ぷ髡嬲l(fā)揮其應(yīng)有的作用。

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[10] ISO 4064-1:2014(E) Water meters for cold potable water and hot water—Part1:Metrological and technical requirements[S]. 2014.

[11] ISO/TR 7066-1：1997 Assessment of uncertainty in calibration and use of flow measurement devices—Part1:Linear calibration relationships[S].1997.

中圖分類號：TH814;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602025

修改稿收到日期：2015-06-10。

作者姚靈(1953-)，男，1992年畢業(yè)于浙江大學(xué)測試計量技術(shù)與儀器專業(yè)，教授級高級工程師；主要從事流量及幾何量測量儀器的研究與開發(fā)。