智能膜式燃?xì)獗碜詣?dòng)化校準(zhǔn)技術(shù)

江航成， 郭 剛， 林明星

(金卡智能集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310018)

1 概述

近年來(lái)隨著清潔能源的推廣，天然氣的應(yīng)用日趨普遍，燃?xì)獗韽V泛應(yīng)用于天然氣的貿(mào)易結(jié)算，也是燃?xì)饽茉从?jì)量的主要計(jì)量器具，膜式燃?xì)獗懋a(chǎn)品已從當(dāng)初機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)展到IC卡表、無(wú)線遠(yuǎn)傳表等智能燃?xì)獗?，我?guó)膜式燃?xì)獗碇圃祛I(lǐng)域步入快速發(fā)展期，整體實(shí)力和國(guó)際綜合競(jìng)爭(zhēng)力顯著增強(qiáng)[1]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快以及城市燃?xì)馄占奥实牟粩嗵岣?，?guó)內(nèi)燃?xì)獗硇枨罅扛咚僭鲩L(zhǎng)。燃?xì)獗淼挠?jì)量準(zhǔn)確性、自動(dòng)化生產(chǎn)將是今后發(fā)展的趨勢(shì)，也是流量?jī)x表行業(yè)研究熱點(diǎn)。某研究所設(shè)計(jì)一種包括9個(gè)生產(chǎn)模塊的燃?xì)獗沓杀碜詣?dòng)裝配生產(chǎn)線，提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率[2]。有燃?xì)獗韱挝粸樘岣邫z測(cè)效率，提出兩種小流量點(diǎn)誤差檢定技術(shù)，增加萬(wàn)分位字輪和利用檢測(cè)盤(pán)檢定的思路[3]。為了提高膜式燃?xì)獗淼臋z定效率,改善最小流量點(diǎn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,研究者提出了以雙計(jì)時(shí)法和回轉(zhuǎn)當(dāng)量體積為測(cè)量原理的檢定技術(shù)[4]。這些技術(shù)雖有成效，但無(wú)法用于批量自動(dòng)化生產(chǎn)。熱式燃?xì)獗聿捎媒t外通信方式通過(guò)瞬時(shí)流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)[5]，該校準(zhǔn)技術(shù)比較成熟，已用于批量生產(chǎn)，也適用于智能膜式燃?xì)獗砩a(chǎn)。本文以下所提燃?xì)獗砭钢悄苣な饺細(xì)獗怼?/p>

2 改進(jìn)前燃?xì)獗碓?/h2>

改進(jìn)前燃?xì)獗碓硪?jiàn)圖1，基表1通過(guò)柔性膜片計(jì)量室來(lái)測(cè)量氣體體積流量。在壓力差的作用下，燃?xì)饨?jīng)分配閥交替進(jìn)入計(jì)量室，充滿后排向出氣口，同時(shí)推動(dòng)計(jì)量室內(nèi)的柔性膜片作往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將充氣、排氣的循環(huán)過(guò)程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣體體積流量。通過(guò)傳動(dòng)軸2傳遞到基表外面，并經(jīng)齒輪組件3帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器4轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼5安裝在機(jī)械計(jì)數(shù)器4上，通氣時(shí)磁鋼5隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)靠近霍爾元件6時(shí)，高的磁通量觸發(fā)霍爾元件6吸合計(jì)數(shù)產(chǎn)生電子脈沖信號(hào)，控制器7將接收到的電子脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)處理顯示在電子計(jì)數(shù)器8上?？刂破靼惭b通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)傳。

圖1 改進(jìn)前燃?xì)獗碓?.基表 2.傳動(dòng)軸 3.齒輪組件 4.機(jī)械計(jì)數(shù)器 5.磁鋼 6.霍爾元件 7.控制器 8.電子計(jì)數(shù)器

校準(zhǔn)誤差時(shí)采樣對(duì)象是燃?xì)獗淼臋C(jī)械計(jì)數(shù)器，目前標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測(cè)誤差一般為以下兩種方式：一種是光電采樣法，機(jī)械計(jì)數(shù)器字輪上固定鋁箔，光電采樣器通過(guò)發(fā)光檢測(cè)反射光強(qiáng)度，當(dāng)照射到鋁箔時(shí)感應(yīng)到光強(qiáng)度，接收脈沖信號(hào)；另一種是圖像識(shí)別法，字輪數(shù)字0～9的圖像不一樣，測(cè)試時(shí)先采集一張圖像，再采集到一樣的圖像時(shí)表示接收到信號(hào)。可見(jiàn)采樣必須是字輪一圈的整數(shù)倍，燃?xì)獗碜州嗈D(zhuǎn)動(dòng)一圈最小值是10 L，采樣分辨力為10 L。較低的分辨力導(dǎo)致校準(zhǔn)不準(zhǔn)確、檢測(cè)效率低。另外檢定對(duì)象是機(jī)械計(jì)數(shù)器，實(shí)際貿(mào)易結(jié)算是電子計(jì)數(shù)器，按照J(rèn)JG 577—2012《膜式燃?xì)獗怼愤€需要增加檢查機(jī)電轉(zhuǎn)換誤差測(cè)試項(xiàng)。

校準(zhǔn)不準(zhǔn)確體現(xiàn)為檢測(cè)準(zhǔn)確性不高、修正不夠精準(zhǔn)。由于每一個(gè)表的初始相對(duì)誤差都不盡相同，先初校得到大流量與中流量初始相對(duì)誤差，再用大齒輪、小齒輪一對(duì)配比，通過(guò)控制傳動(dòng)比調(diào)整相對(duì)誤差，不同的齒輪配比相對(duì)誤差見(jiàn)表1，安裝相應(yīng)配比齒輪及機(jī)械計(jì)數(shù)器再進(jìn)行復(fù)校。本文大流量點(diǎn)為表的最大量程對(duì)應(yīng)的流量值，中流量點(diǎn)為大流量點(diǎn)的0.2倍，小流量點(diǎn)為最小量程對(duì)應(yīng)的流量值。

表1 不同的齒輪配比相對(duì)誤差 %

如型號(hào)為G1.6的燃?xì)獗?，初校?8格采樣盤(pán)，采樣分辨力為0.133 L，初校時(shí)間短，測(cè)試大、中流量各100個(gè)脈沖，只需要2 min。初校得知大流量初始相對(duì)誤差為-3.83%，中流量初始相對(duì)誤差為-2.73%，按照表1，選擇42/51齒輪配比、39/47齒輪配比調(diào)整，兩者的相對(duì)誤差分別為+2.94%、+3.72%，齒輪配比修正后相對(duì)誤差見(jiàn)表2。

表2 齒輪配比修正后相對(duì)誤差

從表2可以看出選擇42/51齒輪配比，使得大流量修正后相對(duì)誤差明顯偏負(fù)，選擇39/47齒輪配比中流量修正后相對(duì)誤差明顯偏正，雖然都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但都不夠理想。

目前標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)于機(jī)械計(jì)數(shù)器的采樣分辨力為10 L，測(cè)試0.016 m3/h流量點(diǎn)，即使采用最小體積，測(cè)試時(shí)間仍需要約40 min。按照J(rèn)JG 577—2012，盡可能使燃?xì)獗碜钚∥蛔州嗈D(zhuǎn)動(dòng)一圈或數(shù)圈，以減少周期性變化的影響。小流量測(cè)試10 L，不是回轉(zhuǎn)體積1.2 L的整數(shù)倍，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。

檢測(cè)效率低一方面體現(xiàn)在測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，另一方面表現(xiàn)在初校完成需要中途停頓，每個(gè)表逐一選擇合適的配比齒輪及機(jī)械計(jì)數(shù)器，再進(jìn)行復(fù)測(cè)。齒輪的配比選擇、安裝以及機(jī)械計(jì)數(shù)器裝配工藝復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

3 改進(jìn)后燃?xì)獗碓?/h2>

改進(jìn)后燃?xì)獗碓硪?jiàn)圖2，與改進(jìn)前相比，最大區(qū)別是無(wú)機(jī)械計(jì)數(shù)器，磁鋼直接安裝在齒輪組件3上，同時(shí)增加光學(xué)接口7。G1.6燃?xì)獗淼幕剞D(zhuǎn)體積為1.2 L，齒輪組件轉(zhuǎn)速提高，1個(gè)回轉(zhuǎn)體積齒輪組件轉(zhuǎn)動(dòng)3圈，齒輪組件的轉(zhuǎn)臂上下各裝一個(gè)磁鋼，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈霍爾元件采集2個(gè)信號(hào)，電子脈沖信號(hào)分辨力提高到0.2 L，相比之前結(jié)構(gòu)10 L的采樣分辨力，提高了50倍。信號(hào)分辨力增加，測(cè)試的準(zhǔn)確度提高，效率提升。

圖2 改進(jìn)后燃?xì)獗碓?.基表 2.傳動(dòng)軸 3.齒輪組件 4.磁鋼 5.霍爾元件 6.控制器 7.光學(xué)接口 8.電子計(jì)數(shù)器

由于直接采用電子脈沖累計(jì)體積，相對(duì)誤差不是通過(guò)固定的齒輪配比調(diào)整，可根據(jù)實(shí)際初始相對(duì)誤差選擇最佳修正量，前面舉例的G1.6燃?xì)獗聿捎秒娮用}沖當(dāng)量修正數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更加合理。

表3 電子脈沖當(dāng)量修正數(shù)據(jù)

通過(guò)光電接口按照近紅外通信協(xié)議，對(duì)電子脈沖當(dāng)量進(jìn)行初校、修正、復(fù)校，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)，做到一鍵全部完成。另外減少機(jī)械計(jì)數(shù)器，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。由于檢定對(duì)象與實(shí)際貿(mào)易結(jié)算都是電子計(jì)數(shù)器，無(wú)須檢測(cè)機(jī)電轉(zhuǎn)換誤差。

4 自動(dòng)化校表方案

采樣光學(xué)接口按近紅外通信測(cè)試方法,光學(xué)接口見(jiàn)圖3，光學(xué)接口內(nèi)置紅外發(fā)射器與紅外接收器。校表原理為：檢測(cè)裝置帶有光學(xué)接口，檢測(cè)裝置上位機(jī)以二進(jìn)制形式將指令轉(zhuǎn)換成某一頻率的脈沖序列,通過(guò)光學(xué)接口的紅外發(fā)射器，發(fā)出波長(zhǎng)為900～1 000 nm紅外光[6],燃?xì)獗淼墓怆娖骷﨑205接收到紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào),單片機(jī)將此電脈沖信號(hào)解析成指令信息并執(zhí)行。燃?xì)獗韺?nèi)部信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，通過(guò)光電器件D204以紅外光形式發(fā)出，被光學(xué)接口的紅外接收器所接收，由此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置與燃?xì)獗黼p方信息的交互。當(dāng)未接收到電脈沖信號(hào)時(shí)，紅外發(fā)射器持續(xù)發(fā)光，紅外接收器默認(rèn)為是0，當(dāng)接收到電脈沖信號(hào)時(shí)，紅外發(fā)射器不發(fā)光，紅外接收器認(rèn)為是1。

檢測(cè)裝置與燃?xì)獗砀鶕?jù)GB/T 19897.1—2005《自動(dòng)抄表系統(tǒng)低層通信協(xié)議 第1部分：直接本地?cái)?shù)據(jù)交換》的C模式,一種支持帶有波特率切換的數(shù)據(jù)交換,允許數(shù)據(jù)讀出,帶增強(qiáng)口令安全的編程和廠家定義模式實(shí)現(xiàn)信息互通,按ISO/IEC 1177—1985《信息處理 啟動(dòng)/停止和同步定向字符傳輸?shù)淖址Y(jié)構(gòu)》，要求為異步串行(起始—停止)位傳送，半雙工模式形式進(jìn)行字符傳輸。

圖3 光學(xué)接口

目前測(cè)試燃?xì)獗淼脑O(shè)備有音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡(jiǎn)稱音速噴嘴裝置)、鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。音速噴嘴裝置特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度較高、無(wú)可動(dòng)部件、維護(hù)方便，是燃?xì)獗碚`差檢測(cè)的主流標(biāo)準(zhǔn)裝置。

校準(zhǔn)流程見(jiàn)圖4。上位機(jī)和燃?xì)獗硐韧ㄟ^(guò)近紅外通信握手確認(rèn)測(cè)試方案，首先對(duì)燃?xì)獗淼膴A表密封性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行初校，打開(kāi)相應(yīng)流量噴嘴的閥門(mén)，經(jīng)過(guò)30 s左右的穩(wěn)定時(shí)間后，上位機(jī)通過(guò)近紅外通信接收到燃?xì)獗戆l(fā)出的首個(gè)脈沖信號(hào)，晶振開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收到設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)后，晶振停止計(jì)時(shí)。根據(jù)大流量、中流量初校的結(jié)果，計(jì)算出修正脈沖當(dāng)量，通過(guò)近紅外通信將該修正脈沖當(dāng)量寫(xiě)入表內(nèi)，再根據(jù)復(fù)校方案完成大流量、中流量、小流量的復(fù)校。

圖4 校準(zhǔn)流程

依據(jù)JJF 1240—2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》，被檢表顯示的累計(jì)體積通過(guò)式(1)計(jì)算，通過(guò)式(2)計(jì)算出流經(jīng)燃?xì)獗淼膶?shí)際體積，通過(guò)式(3)計(jì)算出被檢表的相對(duì)誤差，修正脈沖當(dāng)量計(jì)算見(jiàn)式(4)。式(1)～(4)如下：

(1)

(2)

(3)

fx=fc[1+0.5(Emax+Emid)]

(4)

式中Vm——被檢表累計(jì)體積，m3

N——被檢表脈沖個(gè)數(shù)，pul

fc——初始脈沖當(dāng)量，pul/m3

Vs——被檢表實(shí)際體積，m3

Cd——噴嘴流出系數(shù)

A——噴嘴喉部面積，m2

C——噴嘴流函數(shù)

ps——噴嘴處氣體壓力，kPa

Z——噴嘴前滯止容器處氣體壓縮因子

Tm——被檢表處氣體溫度，K

pm——被檢表處氣體壓力，kPa

M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/mol

Ts——噴嘴處氣體溫度，K

R——摩爾氣體常數(shù), J/(mol·K)

t——測(cè)試時(shí)間，s

E——被檢表相對(duì)誤差

fx——修正脈沖當(dāng)量，pul/m3

Emax——被檢表大流量相對(duì)誤差

Emid——被檢表中流量相對(duì)誤差

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

被檢表準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)，規(guī)格G1.6，流量范圍為0.016～2.500 m3/h，用0.5級(jí)流量范圍為0.016～6.000 m3/h音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢測(cè)。軟件完成測(cè)試方案程序設(shè)置，將檢測(cè)裝置的光學(xué)接口固定在被檢表上。點(diǎn)擊測(cè)試，上位機(jī)首先與被檢表進(jìn)行通信握手確認(rèn)，檢查每個(gè)表是否與裝置通信成功。通信成功后，檢測(cè)被檢表與裝置安裝的密封性，檢測(cè)合格后進(jìn)行初校，初校流量點(diǎn)為2.5 m3/h、0.5 m3/h，初校完成后計(jì)算出修正脈沖當(dāng)量，通過(guò)近紅外通信寫(xiě)入燃?xì)獗韮?nèi)，執(zhí)行復(fù)校方案完成測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

為驗(yàn)證該測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，將該被檢表用音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置靜態(tài)法測(cè)試大、中流量點(diǎn)，兩種方法測(cè)試相對(duì)誤差對(duì)比見(jiàn)表5。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 兩種方法測(cè)試相對(duì)誤差對(duì)比

兩種測(cè)試方法之間的相對(duì)誤差差異很小，在0.13%以內(nèi)，小于標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度(0.5%)。按照常規(guī)方案復(fù)校流量需要45 min，按照該方案復(fù)校只需12 min，復(fù)校效率提升了約73%。

6 結(jié)語(yǔ)

① 分析當(dāng)前智能膜式燃?xì)獗砑案倪M(jìn)后的智能膜式燃?xì)獗碓?，提出一種通過(guò)光學(xué)接口按照近紅外通信協(xié)議的相對(duì)誤差校準(zhǔn)技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，取消機(jī)械計(jì)數(shù)器，增加光學(xué)接口，通過(guò)脈沖當(dāng)量實(shí)施初校、修正、復(fù)校，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)。

② 以準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)、流量范圍為0.016～6.000 m3/h音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置, 測(cè)試規(guī)格為G1.6、流量范圍為0.016～2.500 m3/h的1.5級(jí)燃?xì)獗?，比較近紅外通信方法測(cè)試與靜態(tài)法測(cè)試的相對(duì)誤差差異，結(jié)果表明相對(duì)誤差差異在0.13%以內(nèi)，小于標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度(0.5%)。

③ 近紅外通信方法測(cè)試的準(zhǔn)確性滿足要求，復(fù)校效率提升了約73%。