水流量標定計量軟件的研發(fā)與應(yīng)用

臧振勝

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

JJG164-2000《液體流量標準裝置檢定規(guī)程》中對裝置的計量性能要求、通用技術(shù)要求和計量器具控制都做了明確的說明。常規(guī)的液體標定介質(zhì)為水，裝置通常包括標準表法（比較法）和質(zhì)量法（稱重法），被檢儀表包括：質(zhì)量流量計、速度流量計、容積流量計、渦街流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲流量計、靶式流量計和差壓流量計（孔板流量計和V錐流量計）。裝置使用時的測量數(shù)據(jù)多，后續(xù)系數(shù)和誤差的計算過程復(fù)雜，通常應(yīng)用組態(tài)軟件和上位機兩種方式開發(fā)實現(xiàn)自動化控制，以提高測試效率和可靠性[1]。

圖1 水流量標定裝置界面圖Fig.1 Water flow calibration device interface diagram

裝置在測試過程中，需要對標準表、被檢表和時鐘晶振脈沖進行脈沖FI信號采集，對工況壓力變送器、溫度變送器及被檢表的電流AI信號進行采集，對換向器、管路閥門、夾表器等開關(guān)量DI信號進行采集。為了實現(xiàn)兩種測量方法的自動化，還需要根據(jù)設(shè)置進行邏輯控制，包括換向器、管路閥門、水泵的開關(guān)量DO控制，水泵及定位閥門的AI控制。上位機計量軟件需要實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)采集、記錄、計算和報表[2]。

1 標準表法（比較法）

圖2所示標準表法（比較法）測試記錄，默認情況下共有7個檢定點，每個檢定點3次，與稱重法不同的是標準器讀數(shù)是標準表脈沖數(shù)和標準表系數(shù)兩列，單次測試需要記錄的數(shù)據(jù)包括：檢定點數(shù)、檢定次數(shù)、檢定時間、檢定流量、標準表脈沖數(shù)、標準表系數(shù)、介質(zhì)密度、標準質(zhì)量、被檢表脈沖數(shù)/被檢表電流值/被檢表瞬時流量讀數(shù)/被檢表累積流量讀數(shù)、介質(zhì)壓力和介質(zhì)溫度[3]。標準表法數(shù)據(jù)的計算公式為

標準時間 = 1/晶振時鐘×脈沖數(shù)

標準表脈沖數(shù) = 啟停時間段內(nèi)標準表脈沖數(shù)

被檢表脈沖數(shù) = 啟停時間段內(nèi)被檢表脈沖數(shù)

標準表頻率 = 標準表脈沖數(shù)/標準時間

標準表K系數(shù) = f（標準表頻率）；//插值法實現(xiàn)標準體積 = 標準表脈沖數(shù)/標準表K值

介質(zhì)密度 = f（工況溫度，工況壓力）

標準質(zhì)量 = 標準體積×介質(zhì)密度

標準平均瞬時質(zhì)量流量 =標準質(zhì)量/標準時間

標準平均瞬時體積流量 =標準體積/標準時間

1）未知被檢表K系數(shù)時：

被檢表質(zhì)量K系數(shù) = 被檢表脈沖數(shù)/標準質(zhì)量

被檢表體積K系數(shù) = 被檢表脈沖數(shù)/標準體積

2）已經(jīng)被檢表K系數(shù)時：

圖2 標準表法（比較法）測試記錄Fig.2 Standard table method (comparative) test record

被檢表質(zhì)量 = 被檢表脈沖數(shù)/被檢表質(zhì)量系數(shù)

被檢表體積 = 被檢表脈沖數(shù)/被檢表體積系數(shù)

被檢表誤差

= （被檢表質(zhì)量-標準質(zhì)量）/標準質(zhì)量×100%

= （被檢表體積-標準體積）/標準體積×100%

3）被檢表4mA～20mA電流輸出時：

被檢表平均瞬時流量 =（被檢表平均電流 - 4.0）/16.0×（被檢表量程上限 - 被檢表量程下限）+ 被檢表量程下限；//啟停時間內(nèi)平均值

被檢表誤差 = （被檢表平均瞬時流量 - 標準平均瞬時流量）/標準平均瞬時流量×100%

4）被檢表瞬時流量讀數(shù)：

被檢表誤差 = （被檢表瞬時流量讀數(shù) - 標準平均瞬時流量）/標準平均瞬時流量×100%

5）被檢表累積流量讀數(shù)：

被檢表誤差 =（被檢表累積質(zhì)量讀數(shù) - 標準質(zhì)量）/標準質(zhì)量×100%

被檢表誤差 =（被檢表累積體積讀數(shù) - 標準體積）/標準體積×100%

2 質(zhì)量法（稱重法）

圖3所示質(zhì)量法（稱重法）測試記錄，默認情況下也是有7個檢定點，每個檢定點3次，與標準表法不同的是標準器讀數(shù)是秤示值和修正后質(zhì)量兩列，單次測試需要記錄的數(shù)據(jù)包括：檢定點數(shù)、檢定次數(shù)、檢定時間、檢定流量、秤示值、修正后質(zhì)量、介質(zhì)密度、標準質(zhì)量、被檢表脈沖數(shù)/被檢表電流值/被檢表瞬時流量讀數(shù)/被檢表累積流量讀數(shù)、介質(zhì)壓力和介質(zhì)溫度[4,5]。質(zhì)量法數(shù)據(jù)的計算公式為

標準時間 = 1/晶振時鐘×脈沖數(shù)

圖3 質(zhì)量法（稱重法）測試記錄Fig. 3 Quality method (weighing) test record

標準表脈沖數(shù) = 啟停時間段內(nèi)標準表脈沖數(shù)

被檢表脈沖數(shù) = 啟停時間段內(nèi)被檢表脈沖數(shù)

秤示值= 結(jié)束秤質(zhì)量 - 起始秤質(zhì)量

浮力系數(shù) = f（大氣的密度）

標準質(zhì)量 = 浮力系數(shù)×秤示值

介質(zhì)密度 = f（工況溫度，工況壓力）

標準體積 = 標準質(zhì)量/介質(zhì)密度

標準平均瞬時質(zhì)量流量 = 標準質(zhì)量/標準時間

標準平均瞬時體積流量 = 標準體積/標準時間

后續(xù)被檢表5種情況的系數(shù)及誤差計算方法與上述標準表法相同。稱重法需要使用電子電平對水介質(zhì)進行精確的質(zhì)量測量，電子天平預(yù)留232/485串口，通過非標協(xié)議實現(xiàn)當(dāng)前質(zhì)量的讀取操作，通常用組態(tài)軟件自帶的廠家驅(qū)動或者用上位機編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)電子天平的數(shù)據(jù)實時采集，或者應(yīng)用PLC實現(xiàn)自由口協(xié)議的非標設(shè)備數(shù)據(jù)采集[6]。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 標準表儀表系數(shù)

應(yīng)用標準表法進行計量時，需要通過標準表的實時頻率f計算出標準表的儀表系數(shù)K值，通過插值法計算實現(xiàn)，bzbdks為標準表K值，temp1～temp5代表標定頻率值，temp11～temp15代表標定系數(shù)K值[7]。

if (f＜temp1) //定點系數(shù)計算

{bzbdks=temp11;}

if (f＞=temp1 && f＜temp2)

{bzbdks=(temp12-temp11)*(f-temp1)/(temp2-temp1)+temp11;}

if(f＞=temp2&&f＜temp3) {bzbdks=(temp13-temp12)*(ftemp2)/(temp3-temp2)+temp12;}

圖4 被檢表精度等級計算工具Fig.4 Checked table accuracy level calculation tool

if(f＞=temp3&&f＜temp4) {bzbdks=(temp14-temp13)*(ftemp3)/(temp4-temp3)+temp13;}

if(f＞=temp4&&f＜temp5) {bzbdks=(temp15-temp14)*(ftemp4)/(temp5-temp4)+temp14;}

3.2 被檢表系數(shù)和誤差

被檢表的儀表系數(shù)為檢定點中3次測量儀表系數(shù)的平均值，重復(fù)性用貝塞爾公式計算結(jié)果除以儀表系數(shù)平均值得到[8,9]。在整個測試記錄中：

誤差 = （系數(shù)最大值 - 系數(shù)最小值）/（系數(shù)最大值 +系數(shù)最小值）×100%

儀表系數(shù) = （系數(shù)最大值 + 系數(shù)最新值）/2

重復(fù)性 = 重復(fù)性最大值

被檢表的精度等級需要結(jié)合誤差值和重復(fù)性值進行判斷，不同被檢表的重復(fù)性要求并不相同，如質(zhì)量流量計、速度流量計要求重復(fù)性滿足誤差的1/2，超聲流量計要求重復(fù)性滿足誤差的1/5，其余的流量計要求為1/3。此外，渦街流量計和超聲流量計進行液體測量時需要有qt分界流量處理，大于等于qt時需滿足上述常規(guī)要求，小于qt時滿足2倍的要求就可以，圖4是針對不同被檢表設(shè)計的精度等級計算工具軟件界面圖。

4 結(jié)論

本文闡述了標準表法（比較法）和質(zhì)量法（稱重法）的水流量標定裝置上位機軟件的研發(fā)和應(yīng)用，介紹了兩種測試方法需要采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，標準表、被檢表和標準時間的信號采集過程，標準質(zhì)量、標準體積、標準時間、標準表K值、測試記錄的儀表系數(shù)、重復(fù)性和誤差計算過程。經(jīng)測試比較，水流量標定計量軟件可以穩(wěn)定高效地實現(xiàn)被檢表的數(shù)據(jù)采集和后續(xù)計算，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。