智能流量積算儀計測技術探討

唐勇軍

(成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

0 引言

智能流量積算儀是流量測量領域近幾年快速發展的一種新型的流量儀表，尤其是近幾年來，微電子及通信技術相繼運用，也使得流量積算儀引發了一次技術上的飛躍，其功能和可靠性得到了豐富和提高。它可適用于各種液體、蒸汽、天然氣(氣態方程)、一般氣體等的測量。已被廣泛應用于航空航天、機械制造、石油、化工、能源管理等行業的流量積算控制。

1 問題的提出

由于目前智能流量積算儀的種類繁多，每個類型的智能流量積算儀的功能和使用方法各不相同，導致在檢定過程中都不能以一種類型流量積算的操作方法來開展其他類型的檢定，從而導致檢定的復雜和困難。以前國家和行業一直沒出臺相應的技術標準，直到2005年國家才出臺JJG1003-2005《流量積算儀檢定規程》，但由于被檢表的種類太多，國家規程也只能從整體宏觀面介紹，做不到對每一類型的積算儀詳細介紹檢定過程。若僅以規程為依據，而對儀表的性能和操作方法不了解，則無法開展檢定工作，尤其是對新手而言，常常感到無從下手。此外，規程的編制者因所從事工作的局限性，規程中一些地方還存在一定的不足，與實際工作存在出入。現主要以輸入信號為脈沖信號的SWP 系列智能流量積算儀為例，對智能流量積算儀的校準/檢定技術進行探討。

2 校準/檢定技術探討

2.1 檢定點的選取

按國家規程的要求，檢定點取流量傳感器(或變送器)最大流量對應的輸入信號的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近。該檢定點的選取適用于量程比為1 ∶5 或更小的流量傳感器，如孔板流量計，但隨著流量傳感器技術的發展，一些流量傳感器的量程比往往都大于1 ∶5，如渦輪流量計，通常為1 ∶6.7 或1 ∶10，甚至更大。若以1 ∶5 檢定，對于1 ∶10 的傳感器而言，在量程的20%以下沒有計量，存在不確定性，可能會出現按1∶5 的量程比檢定合格，按1∶10 檢定可能出現超差，而實際使用又是按1 ∶10 使用的情況。現以一臺SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為4 ～40 m3/h，其檢定數據見表1。

表1 檢定數據

若按流量傳感器(或變送器)最大流量對應的輸入信號的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近進行檢定，其最大誤差為-0.24%，其結果符合國家規程最低誤差極限± 1.0% 的技術要求，但在4 m3/h點則超出國家規程最低誤差極限要求。

因此在實際的檢定過程中，其流量點的選取應增加流量傳感器(或變送器)最小流量對應的輸入信號的檢定點。

2.2 計量標準的選用

國家規程規定對于輸入信號為脈沖信號的，其標準的主要設備為通用計數器(計數范圍:0 ～99999;分辨力:1 個字)，附屬設備為頻率信號發生器，最大允許誤差:1×10-5。該要求主要針對0.05 級的表，但在實際的工作中大多數流量積算儀的準確度等級為0.5 級，假如選用我們常用的33120A 函數信號發生器(最大允許誤差為±2×10-5)也能遠遠滿足量傳的要求，可不必選取最大允許誤差為1×10-5頻率信號發生器。此外，規程要求主要設備為通用計數器，附屬設備為頻率信號發生器，而通常使用的33120A 函數信號發生器，其輸出的頻率穩定和準確度較高，單獨使用即可滿足要求，可不必選用兩臺標準設備。

2.3 標準脈沖小數點后非零數字位的選取

國家規程對于輸入信號為脈沖信號的積算儀，在檢定過程中其標準脈沖信號的小數點后非零數字位的選取未作明確規定。對于傳感器為小口徑(如:φ6 的渦輪)而言，其輸出頻率最高可達幾千赫茲，輸入標準頻率是否帶小數，對其計量結果影響不是很大。而對于較大口徑的傳感器(如:φ80 的渦輪)而言，低流量時輸出頻率通常為幾十赫茲，輸入頻率信號是否帶小數對檢定結果則會出現較大影響。如SWP-LK80的流量積算儀，其采樣頻率的分辨率為1Hz，導致的結果為:當輸入為整數頻率時，其顯示數據基本穩定，若讀取較穩定數據，其檢定結果基本能滿足國家規程的要求;但輸入帶小數頻率，尤其小數在0.5 左右時，其顯示會在兩個數據之間來回跳動(跳動數據之差為1Hz 所對應的流量值)。對于φ80 的渦輪而言，在低流量時，跳動的兩數據中無論讀取哪個數，其檢定結果都會超出國家規程規定誤差極限(±1.0%)的現象。現以一臺SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為10 ～100 m3/h，檢定結果見表2 和表3。

表2 較穩定的數據結果

表3 跳動的數據結果

從表1 可以看出在顯示數據較穩定的情況下，輸入標準頻率是否帶小數對計量結果的影響也非常大，表2 更能體現小數對使用的影響，因此我們在檢定過程中最好是帶小數頻率進行檢定，這樣可以更好地判定該流量積算儀性能是否穩定，是否能滿足實際使用的工藝要求，從而幫助用戶選擇更好的流量積算儀。

若出現表1 在31.2 Hz 檢定點和表2 的情況，說明該積算儀不適合大口徑的流量傳感器，解決的最好辦法是更換頻率采樣分辨力為0.1Hz 或更小的流量積算儀。對于SWP-LK80 系列而言，通常其頻率采樣的分辨率為1Hz。我們在購置時需要單獨提出其頻率采樣的分辨力為0.1Hz，因從外觀、型號、規格等是無法區分的。但此種流量積算儀有一缺點就是不帶通訊功能，若需兩者兼備，則可考慮其他品牌的流量積算儀。

2.4 系數的確定

儀表系數的確定對于使用者來說是非常重要，每臺流量傳感器的儀表系數都是唯一確定的，也就是說每臺流量積算儀和配套的傳感器是一一對應的關系，若系數設定不正確會造成很大的測量誤差。

式中:qm為質量流量;F 為標準頻率;K 為儀表系數;ρ20為20 ℃時液體密度;λ 為體積溫度系數，1/℃;t為溫度。

由以上公式可以看出儀表系數K 對流量的大小有決定性的作用，如果系數設置不正確，則儀表顯示的流量與實際工況的流量會出現很大的差異，從而會產生較大的測量誤差。不同類型的儀表其系數K 的設定不同，因而必須熟悉其操作方法方可開展檢定，如XSJ-39 其內部的系數為K 的倒數，SWP-LK80 系列為K;又如XSJ 型，其系數必須根據積算儀內部參數最大流量的小數點來確定其值的大小，例:流量為150.0 L/min，系數為77.83。最大流量的小數位為1 位小數，表明系數77.83 為0.1L 所代表的脈沖數。

一般情況下一臺積算儀通常只設置一個儀表系數，在檢定時即可按該系數開展檢定工作，但對于一些帶補償修正的其儀表系數可能是變動的，必須根據不同類型的儀表來確定，以SWP-LK80 系列，補償為線性補償，其K 值的確定方法如圖1。

圖1 中CAH 和CAL 分別為傳感器測量的量程上限和下限，脈沖輸出以Hz 為單位，從圖1 可以看出:

圖1 標準頻率與系數關系

1)當頻率小于或等于CAL 時，系數選用K1;

2)當頻率等于1/3(CAL ～CAH)量程時，系數用K2;

3)當頻率等于2/3(CAL ～CAH)量程時，系數用K3;

4)當頻率大于或等于CAH 時，系數選用K4;

5)當頻率在CAL 和1/3(CAL ～CAH)之間時，由圖可以看出其曲線分程是一元一次方程y=ax +b，因CAL，1/3(CAL ～CAH)，K1，K2 是已知項，由方程y=ax +b 可以求解出a 和b，在輸入頻率x 是已知的情況下，則可通過y=ax +b 求出y 即儀表系數K，即檢定點的K 系數;

6)當頻率在1/3(CAL ～CAH)和2/3(CAL ～CAH)之間時，其方法同5)。

以上功能也可用來實現頻率輸入的小信號切除功能，如:某一渦輪流量計，假定系數為40.567L-1，，要求當輸入頻率小于50 Hz 時，停止累積，即將流量信號小于50 Hz 時切除掉。方法如下:

設定K1=0;K2=0;K3=K4=40.567;CAL=49;CAH=52。注意SLP-LK80 系列，當輸入頻率信號時，無CAL 和CAH 設置，應先打開CAL 和CAH，設置完后再關閉，見圖2 曲線。

圖2 標準頻率與系數關系

由圖2 可看出當頻率小于50 Hz 時，積算儀瞬時流量顯示為零，累積流量不再累積。

2.5 顯示單位的選擇

流量積算的單位選擇也很重要，如果單位選擇不正確，對校準結果的影響也非常大。因大部分積算的小數點設置最多只能到3 位小數，若以m3/h 為瞬時流量的單位，對于小口徑的傳感器而言，會導致儀器分辨力引入的不確定度非常大，如:基本誤差限為±1.0%的φ 4 的渦輪，流量范圍為0.04 ～0.25 m3/h，設定小數點位數為3 位，在低流量時其分辨力引入的不確定度可達0.7%，因而必須正確選擇顯示單位。不同類型的積算其單位選取方法各不相同，必須根據實際情況而定，如:SWP-LK80 系列顯示單位固定為m3，對于有的傳感器不適用于以m3為顯示單位，則會造成顯示的困難。解決的辦法需將K 進行變換，如:需顯示L/h，必須將K(L-1)值除上1000 后方可顯示L/h。再如:XSJ-39A，需根據儀表系數大小通過說明書中的分檔常數表(見表4)來確定其顯示單位，它不像有的儀表可以直接選取。

表4 分檔常數表

2.6 變送輸出校準

變送輸出誤差Eo計算可按下列公式計算:

式中:Ⅰo為輸出電流;Ⅰth為流量理論計算對應的電流值;Ⅰmax為最大流量理論計算對應的電流值;Ⅰ0為流量零點對應的電流值;Ⅰth可按下列公式計算:

式中:q 為檢定點的流量值;qmax為最大流量值。

由于輸出電流相對于頻率信號而言，其穩定性不及頻率，在檢定過程中往往瞬時流量等檢定合格，但輸出電流則會出現超差現象，其解決的辦法通常有以下兩種:

1)調節電路板上的零點電位器和滿度電位器，通常可實現。以輸出4 ～20 mA 為例:滿度的調整，當輸入信號為滿量程時，調節滿度電位器，使其輸出為20mA;零位的調整，當不輸入信號時，調節零點電位器使其輸出為4 mA。

2)可編程調節，以輸出4 ～20 mA 的SWP-LK80系列為例，可修改儀表內部的二次參數PB4 和KK4。滿度的調整，當輸入信號為滿量程時，讀取儀表的顯示值，將顯示值與理論值相除，其值為KK4;零位的調整，當不輸入信號時，觀察儀表的輸出值，PB4 為4減去輸出值。

2.7 累積流量的檢定

按國家規程規定使用標準的要求，信號發生器的允許誤差限為:1×10-5，計時器的分辨力優于0.01 s，而在實際的工作中若標準達不到規程的要求，但量傳又能滿足的情況下如何開展檢定呢? 如:采用33120A的信號發生器，計時器的分辨力為0.01 s。其解決的辦法為提高檢定時間，通過延長時間來彌補標準的問題，國家規程要求10 min，我們就將檢定時間延長為20 min 或更長，通常情況檢定分辨力引入的不確定度優于最大允許誤差的1/5 就能滿足要求，當然檢定時間越長越好。

2.8 帶溫度和壓力補償的檢定

溫度和壓力補償型的檢定，其難點主要是確定檢定點的介質密度。而密度的確定關鍵是確定壓縮系數Z，Z 值可依據雷德利克- 孔方程(簡稱R-K 公式)求得。但在實際工作中，在已知溫度、壓力、流量參數的情況下也會出現檢定困難。我們曾經遇見過這樣的情況，有一用戶送來一只新SLP-LK80 的流量積算儀(內部參數為出廠設定)，并帶來傳感器相關的信息，委托我們設置并計量。要求我們不考慮溫度，只帶壓力補償的情況下開展檢定。通常的解決辦法按公式

3 結束語

隨著流量測試技術的不斷發展和各種新型流量積算儀和流量傳感器的廣泛應用，流量測量向高精度、智能化方向發展。這就對我們的檢定工作提出了新的要求，而且大部分流量積算儀在檢定時都會遇到以上的問題。作為檢定工作者，不僅應清楚不同類型的流量積算儀和流量傳感器的操作方法、工作原理，更應熟知詳細的檢定過程。只有這樣才能從本質上分析問題，更加快捷處理檢定工作中出現的問題，進一步提高我們的計量水平。本文是依據多年的實際工作經驗總結出來的，可為今后處理類似的問題提供參考。

［1］蘇彥勛.流量計量與測試［M］.北京:中國計量出版社，1992.

［2］王池.流量測量不確定度分析［M］.北京:中國計量出版社，2002.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG1003-2005 流量積算儀檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2005.