液體流量儀表性能校準系統開發

吳勇興， 王 劍， 姜周曙， 黃國輝

（杭州電子科技大學自動化研究所，浙江杭州 310018）

0 引言

流量是生產與科學實驗中的重要參數，不論是工業生產還是科學實驗都需要進行流量的測量，以核算過程或設備的生產能力及各部分流量所占的比例，以便對過程或設備作出評價。近年來，在實際工作中經常接觸到一些流量儀表，其中以質量流量計、速度流量計及容積流量計居多。雖然各種流量儀表在出廠前都進行了流量標定，建立了流量刻度標尺，但是在實驗室或生產上應用時，工作介質、壓強、溫度等操作條件往往和原來標定時的條件不同。為了精確地使用流量計，需要在使用之前進行現場校準工作。本文根據液體流量儀表性能檢測與分析的要求，構建了測試系統的整體框架結構，并基于面向對象的語言，自行研制了一套液體流量儀表性能校準系統。

1 測試系統原理

本系統采用靜態質量法［1］，在裝置上用電子秤稱量一段時間內容器中的液體質量，從而計算出通過流量計的流量。對幾種典型的流量計進行標定和校驗，其中包括孔板流流量計、電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計。在流量計的使用過程中，不同條件下有不同的性能要求，人們對流量計的使用方法也不盡相同，所以我們一般均根據其實際使用情況來選擇校準方式，在此僅就流量計的總量和流量計的電流信號測量流量的性能進行測試［2-4］。

1.1 流量計的總量性能測試

（1）檢定點i第j次檢定時測得的標準器處液體實際體積，

式中：（Vs）ij為檢定點i第j次檢定時測得的標準器處液體實際體積，m3;（Ms）ij為檢定點i第j次檢定時，標準秤指示的液體質量，kg;ρs為標準器處液體密度，kg/m3;Cf為浮力修正系數，

ρa為檢定時環境大氣密度，kg/m3。

（2）檢定點i第j次檢定時測得的標準器處的體積流量（即為檢定點流量），

式中：（Qs）ij為檢定點i第j次檢定時測得標準器處的瞬時體積流量，m3/h;（ts）ij為檢定點i第j次檢定時間。

（3）檢定點i的實際平均流量，

式中：（Qs）i為檢定點i實際體積流量，m3/h。

1.2 流量計電流信號測量流量性能測試

流量計檢定點i第j次檢定的檢定系數，

式中：Kij為檢定點i第j次檢定系數，（mA·h）/m3;Aij為檢定點i第j次檢定時流量計電流讀數，mA。

流量計檢定點i的平均系數

流量計系數

2 測控平臺設計

2.1 測控系統結構設計

本測控系統由水路系統、電子稱重單元、數據采集系統、計算機測量控制系統和被校準流量計等單元組成［5-10］，系統整體結構如圖1所示。

2.2 系統具體操作步驟

開始時向儲水箱注入適量測試用水，打開進水閥8，擰開水泵上方的放氣螺塞，直到液體從放氣螺塞冒出。然后接通控制柜總電源，雙擊啟動監控軟件。

圖1 液體流量儀表性能測試系統結構圖

關閉放氣閥3和放水閥9，按下控制柜面板上的循環水泵啟動按鈕，啟動循環水泵，對管道內注水。緩慢開啟放氣閥3，直至有水流出，關閉放氣閥3。通過監控軟件開啟電磁閥12，并適當調節閥門11到所需流量，調節進水閥8，使右側溢流管水流量適中，待工作管路中水流穩定后，關閉電磁閥12。排空量筒13，關閉其放水閥，并按下電子稱去皮按鈕。設置軟件測試時長、采樣周期，按“運行”按鈕開始測試。根據流量大小，確定采樣點數量，適時，結束測試。根據具體測試內容，重復上述步驟。

結束時關閉循環水泵，開啟電磁閥12、放水閥9，放空實驗系統中的水。數據處理，得出測試結論。

2.3 測控系統組成

圖2為計算機測控系統組成框圖，該系統以PC機為核心，由采集與控制單元分別采集電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計和孔板流量計的電信號，將其轉化為數字信號，并通過RS-232接口1發給計算機，同時電子稱重單元將流過流量計的液體質量通過RS-232接口2發給計算機。計算機通過相應測控軟件可對實驗數據進行分析、計算。該計算機測控軟件是采用基于.NET 2.0框架下的C#編程語言編寫，具有良好的用戶界面。通過操作界面，用戶可以對實時顯示的測試參數進行設定和測試。同時軟件具有完善的數據處理功能，擁有對各項數據分析計算、誤差分析、存儲、繪圖、數據報表生產、數據導出和打印等功能。

圖2 計算機測控系統組成框圖

3 軟件系統設計

3.1 軟件需求分析

測控系統軟件需要實現對4種流量計性能測試的基本功能，計算機通過串口實現對數據采集單元的數據交互，同時經過數據分析處理向操作人員顯示。由于面向不同的操作人員，軟件應當具有操作方便、界面友好和功能齊全等特點，操作人員只需設置相關參數，根據提示進行操作系統就可以穩定運行并得到測試結果，能夠查看實時測試數據并記錄保存，并且軟件具有曲線顯示、生成報表、數據導出和打印等功能。

軟件系統功能有：

（1）引導測試功能。引導操作人員按操作流程完成新的測試;

（2）數據采集與分析處理。具有從采集控制單元實時采集數據并在主界面顯示的功能，對數據進行分析處理，繪制動態曲線及儲存到數據庫;

（3）歷史數據查詢。為用戶提供查找歷史數據與曲線，并能導出及打印歷史數據的功能;

（4）智能檢測功能。保證信息的準確與程序的安全穩定運行。

軟件具體功能如圖3所示。

圖3 軟件系統功能圖

3.2 軟件功能實現

根據需求分析，為了更好地實現系統功能，軟件采用了基于.NET三層構架，分別是用戶界面表示層、業務邏輯層和數據訪問層［11-12］。主要功能實現如下：

（1）采集控制功能。主要包括電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計、孔板流量計和電子秤的數據采集以及對電機的控制。通過.NET平臺提供的串口通信功能，以RS-232通訊方式在PC機與采集控制單元和電子秤進行通信。在設定串口通信端口、串口波特率、數據位和停止位等屬性之后，調用.NET串口類相應的方法打開串口，接收數據，然后關閉串口，以此實現數據的發送與接收，達到采集控制的目的。

（2）數據庫實現。數據庫采用的是SQL Server 2005，主要實現數據的存儲和查詢功能。數據庫中建立兩類表：測試信息表和測試數據表，測試信息表字段包括測試編號、測試人員，測試日期和指導老師，其中測試編號為主鍵;測試數據表，字段包括測試人員，測試日期，指導老師，標定點編號，實際流量，電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計、孔板流量計，數據表的創建通過程序中的代碼動態建表。在.NET平臺下，通過數據庫操作類和相應的SQL語言，可實現數據的存儲和查詢功能［13］。

（3）其他功能模塊。該部分主要包括實時曲線繪制，歷史數據查詢和數據報表打印等功能。其中圖形顯示采用了第三方畫圖控件（NI公司的CWGraph控件）來完成曲線繪制，不但減輕了開發者任務，而且繪制效果較好。歷史數據查詢通過讀取數據庫歷史數據實現。通過專門的報表打印類，實現報表打印接口，可以用來打印歷史數據［14-15］。

在Windows XP系統上，基于面向對象思想與UML技術，以Visual Studio2005為平臺，采用C#編程技術，Microsoft SQL 2005為數據庫，并引入Flash動畫界面，設計出了具有Windows操作風格和工藝流程動畫顯示為一體的智能化測控軟件。測控軟件界面如圖4所示。

圖4 測控軟件界面

4 測試結果分析

本實驗臺在不同時間對4種流量計進行了測試，現以型號為AXLWGYA-25的渦輪流量計為例。當系統正常運行后，采集實時數據，分別對4個檢定點進行5次測量，流量計測試記錄見表1。

從表1中可以得出：

（1）流量計的總量誤差和重復性為各檢定點最大值，該流量計的總量基本誤差為0.35%，符合該型號流量計0.5級精度的要求，所測流量計總量工作正常。多次測量重復性為0.08%，說明測量重復性較好，測量穩定。

表1 測試記錄

（2）流量計使用電流輸出測量流量方式，該流量計在4～20 mA下進行，4 mA為零位，20 mA設定為流量計最大流量。流量與輸出的電流值在理論上呈線性關系，隨著流量的增大，其輸出電流也相應增大，兩者之間存在一個常數K的關系。從表中可得K=1.606 201（mA·h）/m3，基本誤差為 0.26%，多次測量重復性為0.14%，測量誤差小，重復性良好。

5 結語

本研究針對幾種典型的液體流量計開發了一套液體流量儀表性能校準系統。該系統采用靜態質量法進行流量測量，提出測控系統結構設計，對流量儀表的性能進行準確檢定。根據設計要求，采用基于.NET 2.0框架下的C#編程語言編寫上位機軟件，實現軟件功能設計要求，具有良好的用戶界面。系統經過實際運行，使用結果表明該測試系統測量效率高、數據準確可靠、運行穩定，極大提高了自動檢測水平。

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