一種串并聯(lián)耦合式多工位水表檢定裝置設(shè)計

張圓明，司徒琛，滕 藤，陳虹坤

（廣州能源檢測研究院，廣州 511447）

水表是在測量條件下用于連續(xù)測量、記錄和顯示流經(jīng)測量傳感器的水體積的儀表。 進出用水單位的水表是供用水雙方貿(mào)易結(jié)算的計量器具，其計量準確度是衡量水表質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵指標。 水表的檢定工作是檢查水表計量準確性是否合格的基本手段，包括4 個檢定項目，即外觀、標志和封印，電子裝置功能，密封性以及示值誤差[1-4]。 其中示值誤差檢定項目是工作量最大和耗時最長的檢定項目，主要采用比較法開展，比較流過水表的累計流量與通過計量標準器的體積量，確定水表的準確度。 經(jīng)測算和實際檢定驗證，在傳統(tǒng)人工讀數(shù)水表檢定裝置上DN（15-25）民用水表示值誤差檢定項目的測量時長在23.5～43 分鐘之間（包括裝表和流量調(diào)節(jié)時間）。 隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，法定計量檢定機構(gòu)的水表送檢量日益增加，與其檢定能力之間的矛盾日益突出，如何提高其檢定效率尤其是減小示值誤差檢定項目時長成為亟需解決的問題。

1 現(xiàn)有檢定裝置存在的問題

目前，國內(nèi)大多數(shù)法定計量檢定機構(gòu)的水表檢定裝置還未實現(xiàn)全自動化，主要以手動方式或半自動方式開展檢定，檢定過程中被檢水表讀數(shù)大多無法自動采集，需要人工讀數(shù)、記錄、計算，原始記錄、證書容易出錯，檢定過程耗時長，檢定能力不足，人力成本高[5]。

提高水表檢定裝置的檢定效率，主要有兩條途徑，一是提高單臺水表的檢定效率，減少檢定時長，主要依靠自動采集、提升檢定信號分辨力的方式來實現(xiàn)[6-10]；二是增加同時檢定的水表個數(shù)，即單臺表的檢定時長雖然未減少，但是每批次被檢水表量增加。 第一種途徑國內(nèi)外已經(jīng)有較多研究，主要采用圖像識別或者借助各類傳感器來實現(xiàn)水表的自動讀數(shù)，部分自動檢測方式已成熟并投入市場化應(yīng)用[6-10]；第二種途徑目前主要采用的方式為水表串聯(lián)檢定，本文將在此基礎(chǔ)上進一步深入研究。

水表示值誤差檢定方法包括啟停法、換向法、流量時間法。一般檢定最小流量Q1、分界流量Q2、常用流量Q3三個流量點，比值Q2/Q1為1.6，Q3/Q1≥40[1]。

當采用啟停法檢定水表時，檢定用水量應(yīng)符合的規(guī)定，如表1 所示。 當采用其它方法檢定水表時，檢定用水量應(yīng)確保示值誤差測量結(jié)果的不確定度不大于啟停法的不確定度[1]。

表1 啟停法檢定用水量的規(guī)定Tab.1 Provisions on water usage of verification by start-stop method

一般情況下，在常用流量Q3、分界流量Q2、最小流量Q1三個流量點檢定時，檢定標度分格或檢定信號分辨力是相同的；因常用流量比分界流量和最小流量大20 倍以上， 分界流量和最小流量檢定點的檢定時間比常用流量點的檢定時間高20 倍以上（在保證檢定時長大于1 min 的前提下）。因此，要提高水表檢定效率，減少分界流量點和最小流量點的檢定時間尤為關(guān)鍵、效果也更顯著。

為提高檢定效率，目前國內(nèi)法定計量檢定機構(gòu)大多采用串聯(lián)式水表檢定裝置，即多個相同型號規(guī)格的被測水表串聯(lián)安裝在裝置測量段上（確保水表之間無明顯的相互影響）， 檢定示值誤差時水依次通過各被測水表和計量標準器，通過比較檢定時段內(nèi)各水表的體積示值和標準器的實際體積得到被測水表的示值誤差。 通過串聯(lián)被測表，雖然單臺表的名義檢定時間未減少， 但因同步檢定多臺水表，每臺表各流量點的實際折算檢定時間都大幅減少。一般而言，串聯(lián)水表的數(shù)量在2～10 臺之間，因場地空間以及檢定裝置循環(huán)水泵揚程的限制，串聯(lián)水表數(shù)量不會超過10 臺。 為了進一步提高水表檢定的效率，現(xiàn)提出一種串并聯(lián)耦合式多工位水表檢定方法及裝置，在常用流量檢定點采用串聯(lián)式檢定方式，在分界流量點和最小流量點，采用并聯(lián)式檢定方式。

2 新型檢定裝置的設(shè)計

設(shè)計了一種串并聯(lián)耦合式多工位水表檢定裝置，使用高精度電子秤、標準表作為主標準器自動采集流經(jīng)水表的實際體積，兩類標準器準確度等級達0.2 級或擴展不確定度（k=2）優(yōu)于被測水表最大允許誤差絕對值的1/5； 可串并聯(lián)耦合同時檢定多臺水表，采用換向法（計量標準器采用電子秤）、流量時間法（計量標準器采用標準表）進行檢定。 一次可同時檢定5～40 臺同規(guī)格水表，檢定工作科學(xué)、準確、高效。

檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 主要由供水系統(tǒng)（水箱、水泵、穩(wěn)壓容器等），管道系統(tǒng)（工藝管道、測量段、夾表器等），計量標準器（標準表（瞬時流量指示器）、工作量器（電子秤）及換向器等），測量附屬設(shè)備（密度計、水溫水壓測量儀表等）及測量控制系統(tǒng)組成。檢定裝置有N 路檢測通道，即N 個測量段，1≤N≤4；每個測量段串聯(lián)有n 臺水表，1≤n≤10，大大提高了每批次水表同步檢定的數(shù)量，各檢定機構(gòu)可根據(jù)自身實際情況選擇N 和n 的具體數(shù)值。 可串并聯(lián)耦合同時檢定多臺相同規(guī)格型號的水表，即檢定裝置測量段有多路檢定通道，每個通道串聯(lián)多臺被檢水表，每個通道的水表數(shù)相同使得各通道的阻力損失基本一致；測控軟件同時接收電子秤和各通道標準表的采集信號，計算出流經(jīng)被測水表的實際體積；根據(jù)各通道每個被檢表的信號或人工讀數(shù)得到流經(jīng)水表的體積示值，比較兩個體積值計算出各被檢水表的示值誤差。 標準表還可作為瞬時流量指示器實時顯示水流量、為測控軟件評判流量是否達到檢定點流量提供依據(jù)。

圖1 串并聯(lián)耦合式多工位水表檢定裝置結(jié)構(gòu)圖（1≤N≤4，1≤n≤10）Fig.1 Structure diagram of series-parallel coupled multi-station water meter verification device（1≤N≤4，1≤n≤10）

在進行常用流量點Q3的檢定時，因循環(huán)水泵流量限制，無法同時滿足各通道都達到水表的常用流量，因此通過進水閥門的控制對各通道的水表依次進行檢定， 直至完成全部通道常用流量點的檢定；此外水表常用流量點檢定相對分界流量點和最小流量點檢定用時少，各通道水表同時檢定的意義也不大。 對各通道水表常用流量點檢定時，計量標準器可采用電子秤，采用換向法進行水表檢定；如果被測表有檢定信號輸出并可接收、轉(zhuǎn)化成流經(jīng)水表的體積示值，則計量標準器也可采用標準表，采用流量時間法進行水表檢定。

在進行分界流量點Q2和最小流量點Q1的檢定時，因2 個流量只有常用流量的幾十分之一，循環(huán)水泵可同時滿足各通道的水流量供應(yīng)要求，結(jié)合現(xiàn)代流量調(diào)節(jié)控制技術(shù)的進步，可快速、準確調(diào)節(jié)各通道水流量同時達到檢定點流量值并保持穩(wěn)定，即分界流量點檢定時各通道流量值穩(wěn)定在Q2～1.1Q2、最小流量點檢定時各通道流量值穩(wěn)定在Q1～1.1Q1。因此，可實現(xiàn)同時對全部通道的水表進行分界流量點（或最小流量點）的檢定，各通道計量標準器采用對應(yīng)通道的標準表，采用流量時間法進行水表檢定。通過增加檢定通道，大大減少了水表分界流量點和最小流量點的檢定時間，而這2 個流量點檢定時間遠大于常用流量點的檢定時間，因此綜合來看大大提高了檢定效率。

3 新型檢定方法

本檢定裝置的典型檢定方法如下：

（1）將水表安裝在檢定裝置測量管段上。

（2） 進行第1 通道水表常用流量點的檢定，計量標準器采用電子秤， 采用換向法進行水表檢定，按照以下程序操作：①打開進水閥門1，關(guān)閉其它并聯(lián)的進水閥門；②在水表的額定流量范圍內(nèi)通水，排除檢定裝置通道1 表內(nèi)和管道內(nèi)的空氣；③調(diào)節(jié)第1 通道流量到常用流量點流量值（0.9Q3～Q3）并保持穩(wěn)定，并使計量標準器處于工作等待狀態(tài)；④水表指示裝置處于運動狀態(tài)，讀取水表的讀數(shù)，同步啟動換向器，將水流引向收集容器；⑤水表流過規(guī)定的時間或檢定用水量之后，再在讀取水表讀數(shù)時同步啟動換向器將水流引開；⑥計算流經(jīng)水表的體積示值，讀取計量標準器的讀數(shù)并計算流經(jīng)水表的實際體積（收集容器內(nèi)收集的水的體積就是流經(jīng)水表的實際體積），比較以上2 個體積值計算得到第1通道水表在常用流量檢定點的示值誤差。

（3）參照流程（2）依次完成其它通道水表常用流量點的檢定，直至完成全部通道常用流量點的檢定。

（4） 進行全部通道水表分界流量點的檢定，各通道計量標準器采用對應(yīng)通道的標準表，采用流量時間法進行檢定，按照以下程序操作：①打開全部通道的進水閥門；②在水表的額定流量范圍內(nèi)通水，排除表內(nèi)和檢定裝置管道內(nèi)的空氣；③調(diào)節(jié)各通道的流量到分界流量點流量值（Q2～1.1Q2）并保持穩(wěn)定，并使各通道標準表處于工作等待狀態(tài)，使各通道水表的檢定信號處于正常輸出狀態(tài)；④檢定裝置啟動測量指令，使裝置的控制系統(tǒng)同步接收各通道標準表信號和水表的檢定信號，當無法滿足同步要求時， 控制系統(tǒng)應(yīng)測量接收各自信號對應(yīng)的時間，以便將各通道測得的實際體積按兩個時間差異修正到與水表讀數(shù)時間一致的體積；⑤水表流過規(guī)定的檢定用水量之后檢定裝置啟動停止測量指令，使裝置的控制系統(tǒng)停止接收標準表信號和水表的檢定信號，并停止測量時間；⑥根據(jù)各通道每個被檢表的信號計算流經(jīng)該表的體積示值，將通道對應(yīng)標準表的流量信號在各被檢表的檢定起始時間至檢定終止時間之間積分，作為流經(jīng)各被檢表的實際體積，計算各水表在分界流量檢定點的示值誤差。

（5）進行全部通道水表最小流量點的檢定，各通道計量標準器采用對應(yīng)通道的標準表，采用流量時間法進行檢定，檢定時將各通道的流量調(diào)節(jié)到最小流量點流量值（Q1～1.1Q1）并參照程序（4）進行操作。

4 新型檢定裝置的優(yōu)點

本新型水表檢定裝置具有以下的優(yōu)點：

傳統(tǒng)檢定裝置同時串聯(lián)檢定水表的數(shù)量在2～10 臺之間，而本檢定裝置可串并聯(lián)耦合同時檢定多臺相同規(guī)格型號的水表，即檢定裝置測量段有多路檢定通道、每個通道串聯(lián)多臺被檢水表，一次可同時檢定5～40 臺同規(guī)格水表，在常用流量檢定點采用串聯(lián)式檢定方式，在分界流量點和最小流量點采用并聯(lián)式檢定方式，進一步提高了檢定效率。

在進行分界流量點和最小流量點的檢定時，可快速、準確調(diào)節(jié)各通道水流量同時達到檢定點流量值并保持穩(wěn)定，可實現(xiàn)同時對全部通道的水表進行分界流量點（或最小流量點）的檢定。 通過增加檢定通道，大大減少了水表分界流量點和最小流量點的檢定時間，而這2 個流量點檢定時間遠大于常用流量點的檢定時間，因此綜合來看大大提高了檢定效率。

使用高精度電子秤、標準表作為主標準器自動采集流經(jīng)水表的實際體積，可采用換向法（計量標準器采用電子秤）、流量時間法（計量標準器采用標準表）進行檢定，在保證檢定質(zhì)量的同時增加了檢定的選擇性和便利性。 每個通道的水表數(shù)相同使得各通道的阻力損失基本一致，標準表還可作為瞬時流量指示器實時監(jiān)測水流量，保障了檢定點流量快速、準確調(diào)節(jié)到位。

傳統(tǒng)檢定裝置可方便、 低成本進行多通道改造，每個通道只需要增加夾表器、進水閥門、流量調(diào)節(jié)閥和0.2 級標準表1 個， 同時優(yōu)化一下檢定測控系統(tǒng)， 使測控系統(tǒng)可同時對多通道水表進行測量、控制。 因此本裝置簡單、高效、穩(wěn)定、可靠、成本低、易安裝，值得大力推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上，針對現(xiàn)有水表檢定裝置檢定效率不高的問題，設(shè)計了一種串并聯(lián)耦合式多工位水表檢定裝置。 使用高精度電子秤、標準表作為主標準器自動采集流經(jīng)水表的實際體積，可采用換向法（計量標準器采用電子秤）、流量時間法（計量標準器采用標準表）進行檢定；可串并聯(lián)耦合同時檢定多臺相同規(guī)格型號的水表，即檢定裝置測量段有多路檢定通道、每個通道串聯(lián)多臺被檢水表，在常用流量檢定點采用串聯(lián)式檢定方式，在分界流量點和最小流量點采用并聯(lián)式檢定方式。 測控軟件同時接收電子秤和各通道標準表的采集信號，計算出流經(jīng)被測水表的實際體積；根據(jù)各通道每個被檢表的信號或人工讀數(shù)得到流經(jīng)水表的體積示值，比較兩個體積值計算出各被檢水表的示值誤差。一次可同時檢定5～40臺同規(guī)格水表，大大提高了檢定效率。