1 引 言
在我国现有流量标准装置中,采用称重法和容积法的装置占多数,标准表法的起步比较晚,但作为一种具有高效、准确、检定范围容易拓宽等优点的检定方法,在我国的发展还是比较快的[2],尤其是随着自动化和计算机技术的发展,为提高标准表法流量标准装置的准确度和检定效率提供了新的技术手段。
2 标准表法流量标准装置的原理
用标准表法进行流量计检定时,要求在检定过程中流量保持恒定,所以首先应保证检定的整个过程水塔处于溢流状态。检定开始时,调节流量到指定的大小,待流速稳定后,同时对标准涡轮流量计与被检流量计的信号脉冲计数,一段时间后,同时停止两流量计的计数并记录,设计数值分别为NS、NM,假设该流量点标准涡轮流量计的仪表系数为KB(l/m3),则被检流量计在该流量点的仪表系数KM(l/m3)可用下式得到:
从标准表法的原理可看出,要想得到被检流量计在检定流量下准确的仪表系数KM,必须保证可以准确地测量到NS、KB和NM的值。
3 准确脉冲计数的实现
由于常用的计数器芯片是在脉冲信号的上升沿或下降沿计数,而在计算机控制系统中,计数器的累计脉冲的启停信号都是计算机发出的,如图1所示,以下降沿采集脉冲为例,从计算机发出“开始”指令到下一个脉冲下降沿被计数,可能已损失了将近一个周期的时间,对于“结束”指令也有同样的情况。由于标准表输出信号的频率有时会很低,这种脉冲和时间的不同步将对计量结果产生误差,例如本流量标准装置中Φ200的标准涡轮流量计在最小使用流量时它的频率为30Hz,采集10 s后的总脉冲数如果丢失一个脉冲,就会产生0.33%的测量误差,这显然满足不了建立高准确度流量标准装置的要求。为了保证其计量准确度,标准表需要一定位数的计数值,因此就需要较长的检测时间T,这将加长了检定时间,增加了能量消耗,降低了检定的效率。为了克服这个缺点,作者设计了一种快速、高精度的计数方法———同步脉冲计数法。
同步脉冲计数法的原理如图1所示,它要求记录下检定过程中被检表在计算机启停命令之间的完整脉冲数NM及这些脉冲所花费的实际时间T2,同时记录下标准表在此过程中的完整脉冲数NN及实际花费时间T1,检定结束时,我们真正想得到的是在被检表发出脉冲NM的T2时间内,标准表的相应脉冲数NS,考虑到流量标准装置在检定流量计时具有稳定的流量这一特点,又有涡轮流量传感器在一定流量下发出的频率f是一定的,因此可以利用脉冲插值进行修正:
从图1可以看出,这种方法的实现可以保证在计算机发出启停信号后使采集到标准表或者被检表的时间与脉冲数完全同步,这便使采集频率信号的误差只取决于对T1、T2计时的计时器误差。
从理论上讲,同步脉冲法的使用可以使标准表法的检定时间缩短到足够短,但考虑到装置的可靠性要求,作者建议把检定时间定为10 s。如果采用计时准确度为1μs的计时器,信号脉冲计数相对误差仅为10-5%,对于建立0.1级的标准表法流量标准装置而言,该误差完全可以忽略不计。
同步脉冲计数法的使用,不仅提高了脉冲计数的准确度,而且提高了标准表法的检定效率。以本水流量标准装置用标准表法检定涡轮流量计为例,假设根据检定规程计算出共有5个检定点,每个检定点检定3次,原来每个检定点每次检定的时间需要30 s,使用同步脉冲计数法后只需10 s,完全用于标定的时间将从原来的7.5 min缩短到3.75min左右,检定效率提高了将近50%。
4 高精度仪表系数的获得
在标准表法使用之前,首先应对标准表用高准确度的流量标准装置进行检定。以下用标准涡轮流量计为例,分析在使用范围内标准表仪表系数的特点,得出获得精确仪表系数的方法。 涡轮流量计发出脉冲信号的频率与通过流量计的流量成正比,该比例系数,也叫涡轮流量计的仪表系数为K,满足:
K=f/qv (5)
式中:f———涡轮流量计输出的脉冲频率;
qv———通过流量计的体积流量。
由上式可见,欲使涡轮流量计进行高精度的计量,关键是仪表系数应有足够高的精度。对涡轮流量计的理论模型进行分析[3],假设涡轮处于匀速运动的平衡状态,并且机械摩擦阻力矩和流体对涡轮的阻力矩均可忽略的条件下,它的仪表系数K仅与仪表的结构参数有关,而与流量变化无关,在K-qv图上为一平行于横轴的直线,见图2中的虚线。
但对于实际的涡轮流量计,其K-qv特性曲线如图2中的实线所示,只有在紊流状态下,仪表系数才真正显示出常数的性质。在实际应用中,流速太低仪表系数非线性太强,流速太高会使涡轮磨损加剧,所以通常使用标准涡轮流量计特性曲线上一个有限段,这个有限段一般包括标准涡轮流量计测量范围上限的30%~90%。把该使用范围分为10个点,每个点检定3次,然后得出各 检定点下信号频率与仪表系数的对应关系,在这里,作者以本流量标准装置中Φ150和Φ100管径的标准表为例进行分析。
从检定的数据出发,首先求出标准涡轮流量计使用范围内,检定得出的仪表系数的平均值Kav,然后与每一检定点的仪表系数-Ki相比较,得出仪表系数相对误差EKi,即:
从以上曲线看出,在标准涡轮流量计的使用范围内,仪表系数的波动幅度很小,两种标准表最大的相对误差为0.321 5%。对于一般的应用场合,可以直接使用平均仪表系数Kav,但要把它作为建立高准确度流量标准装置的标准表,还得进一步提高仪表系数的精度。
观察图4的检定点可知,虽然仪表系数变化比较平缓,但依然有不同的变化趋势,作者采用了最小二乘法对仪表系数进行曲线拟合,结果如图4所示。标准表法流量检定规程规定,曲线误差的计算公式为[1]:
(eC)i———第i个检定点的曲线计算值与检定值之差;
(EC)i———第i个检定点的曲线误差;
-Ki———第i个检定点的仪表系数的平均值。
根据此公式计算前述两台标准表各检定点的曲线误差如表1所示。
从表中可见,经过最小二乘法曲线拟合得出的曲线误差非常小,两台标准表的曲线误差的最大值为0.014 4%。
有了检定频率与仪表系数的关系,便能精确地求出每台标准表使用范围内任意频率下的仪表系数,接着检定需要的关键工作是选择合适的标准表。每台标准表有它的流量范围,而用在流量标准装置上又有一个使用范围,所以用标准表法检定流量计时,应以标定的数据和拟合的曲线出发,尽量选择拟合误差最小的标准表来检定当前流量点。
当被检表的量程范围非常宽已经超过了单台标准表可使用的范围时,还可采用多台标准表并联的方法。理论上,每套系统检定的最大流量值是系统中并联的标准表最大使用流量值的累加,但实际的系统中可以受到水泵的功率和管道的限制,达不到那么高。并联的每台标准流量计的测量范围都比被检流量计的测量范围小,通过被检流量计的累积体积流量VS等于通过各个标准流量计累积体积流量qEi之和,即:
从计量学角度看,以并联方式连接起来的一组标准流量计最低限度也能和单台标准流量计一样可靠,也就是说,并联并不降低测量的准确度[3],而且,通过并联标准流量计的方式,还可以 按照需要扩大测量流量范围,为今后不建特大装置提供一个有效途径[3]。
5 标准表法的准确度计算和结论
JJG643-94标准表法流量标准装置检定规程[1]规定,标准表法装置的准确度δ为:
如果标准表与检定它的流量标准装置集于一体,即标准表检定与使用处在相同的条件下,将不存在上式中提及的附加流量误差,因此E1= E2=0。如果没有这个条件,则应考虑附加流量误差。
标准表的基本误差EM定义为:
((EC)i);
ES———检定标准表用的流量标准装置的准确度。
利用式(7)、式(9)、式(10)可计算出上述Φ150和Φ100标准表法流量标准装置的准确度分别为0.083%和0.078%。使用称重法和标准表法分别对一台0.5级Φ100的涡轮流量计进行检定,其量程范围为10.0m3/h~110.0m3/h,根据检定规程[4]计算,共检定了6个流量点,每点检定3次,结果如表2所示。
由以上数据可知,用文中提出的方法研制的标准表法的准确度可以提高到与检定它的称重法的准确度几乎一样,而检定效率提高了88.3%,所以可以用标准表法代替称重法完成高准确度的检定服务。
参考文献
[1] 苏彦勋等.标准表法流量标准装置检定规程JJG643-94(中华人民共和国国家计量检定规程汇编·流量(三)[M].中国计量出版社,1995,197-206.
[2] LI Chuan-jin,QIU Liang.A Study on the Flow Calibration FacilityUsing MasterMeter and its Data Processing System[M].Proceedingof the 8th International Conference on Flow Measurement,FLOMEKO’96,Standard Press of China,1996:556-562.
[3] 苏彦勋,盛 健,梁国伟.流量计量与测试[M],中国计量出版社,1992.
[4] 王 池等.速度式流量计检定规程JJG 198-94(中华人民共和国国家计量检定规程汇编·流量(三)[M],中国计量出版社,1995:1-18.
