現場服務型標準表法流量測試裝置

侯學青 ，李 斌 ，程 超

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海201114；2.上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072）

現場服務型標準表法流量測試裝置

侯學青1，李 斌2，程 超2

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海201114；2.上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072）

該文在比較分析傳統流量參數測試方式的基礎上，設計了一種現場服務型流量測試裝置，用于解決水流量參數測試裝置現場高精度計量檢測的問題。整套裝置以水為介質，以科里奧利流量計作為標準表組，以變頻調速加穩壓罐作為二級穩壓系統，以LabVIEW軟硬件平臺作為開發系統。所設計的裝置小巧輕便，可以車載到現場進行快速標定，節省了因流量計拆卸送檢引起的待機時間，大大提高了企業生產效率。該裝置填補了國內水流量現場計量測試的技術空白。

流量測試裝置；現場服務型；標準表法；質量流量計；LabVIEW

隨著國家政策的調整，計量校準市場競爭加劇，以客戶需要為本的理念已深入人心[1]。現有的流量測試裝置均為固定式，且十分龐大，流量計量時需要將流量計全部拆下送至計量單位，檢測后再取回重新安裝到生產線上，一般要花費一周左右的時間，大大降低了生產效率[2]。盡管出現了將便攜式超聲波流量計作為標準表，安裝在現場管道上進行測試的離線實流檢測的方法，但由于管道污垢、管道銹蝕、介質污染等因素，超聲波流量計作為標準表的自身測量誤差會很大，無法滿足企業高精度的工藝控制要求[3]。在此，設計了一種現場服務型標準表法流量測試裝置，以車載的形式到現場進行流量標定。目前整套裝處于研發階段，軟硬件平臺尚需經過調試試驗，一旦測試完成，該裝置對于推動國家現場流量計量的發展，提高企業生產效率具有重要的意義。

1 理論技術依據

根據JJG 643—2003標準表法流量標準裝置檢定規程要求，一套完整的標準表法流量測試設備由水箱、試驗管道、標準流量計、流量調節閥、壓力計、溫度計及其他輔佐儀器組成[4]。其典型結構如圖1所示，其基本工作原理如下：液體在相同時間距離內，連續通過標準表組和待檢表的質量流量是相等的，因而通過將2個流量計的示值比對，就能夠達到標定待檢表的功能，確定待檢表的精度、不確定度等參數[5]。

圖1 標準表法工作原理Fig.1 Operating principle of master meter method

2 系統構成

該裝置的設計在符合國家標準的基礎上進行了改進創新，很好地滿足了現場服務的要求。其系統結構如圖2所示，主要由水箱、變頻水泵、穩壓罐、氣泵、開關閥門、標準表組、待檢表、流量調節閥、監控流量計、PXI機箱、PC及各種傳感器組成。將LabVIEW平臺作為標定系統的軟件測試核心，下位機采用PXI機箱配備各種板卡來完成數據采集及控制工作，上位機PC采用LabVIEW來開發人機交互界面。

圖2 系統構成Fig.2 System components

系統分為穩定水流供應部分和流量參數測試部分。穩定水流供應部分采用變頻調節加穩壓罐的兩級穩壓系統，以保證水流穩定，減小誤差。流量參數測試部分對標準表和待檢表的脈沖進行采集，由脈沖當量換算成實時的流量值，同時采集附加傳感器的值，對標定結果進行補償，并將結果顯示在人機界面上，最后根據需要由打印機打印出相應的原始記錄和證書。

3 硬件設計

3.1 裝置機械結構

如圖3所示，本裝置由檢測單元、穩壓單元、供水單元等3部分構成，3部分均裝有鎖緊子，方便車載到現場。供水單元由2臺變頻泵和水箱組成，通過PID控制器來控制變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉速，實現流量點的自動調節。在穩壓單元中，通過軟管連接置于檢測單元和供水單元之間，通過補氣、放氣來保證罐內氣體壓力恒定，對管道流體進行很好的緩沖，保證了水流的穩定，因此可以提高流量檢測裝置的檢測精度。在檢測單元中，通過拉柱傾斜在檢測裝置機體內安裝標準表組（質量流量計），每個標準表管路設置1個三片閥來選通標準表，車體內安裝控制柜，完成裝置的數據采集及控制任務。

圖3 裝置機械結構Fig.3 Mechanical structure of the facility

另外，在標準表附近特別安裝了震動傳感器，用于測量測試裝置的震動頻率，測得的頻率在控制柜的顯示單元顯示，當測試裝置的震動頻率超過設定值時發出報警，此時需調節測試裝置，使得測試裝置的震動頻率在規定的范圍內。試驗表明，當測試裝置的震動加速度超過1g時，會影響標準表正常工作，因此當震動傳感器測試到測試裝置的震動加速度達到1g時，發出報警。

3.2 標準表組

為解決標準表法測量精度不高的問題，系統配備3臺E+H公司的Promass 83F不同口徑高精度的質量流量計。該系列質量流量計所需的安裝空間小，無前后直管道的要求，很好地適合本裝置現場服務的需求。其主要參數如表1所示。

表1 質量流量計參數Tab.1 Parameters of mass flowmeter

3.3 水源穩定系統

經分析比較流量標準裝置常用穩壓方法[6]（如水塔穩壓、容器穩壓、變頻穩壓、變頻加容器穩壓法），選擇變頻加容器二級穩壓法，充分利用其壓力范圍大、設備費用低、占用體積小和流量范圍寬等優點，完成本裝置的水源穩定控制[7]。其工藝流程如圖4所示。

圖4 二級穩壓系統工藝流程Fig.4 Technological process of two stage voltage stabilizing syste

一級變頻穩壓對離心泵進行串級PID控制，以被檢表前的流量為主控制變量，實現最終出口流量的穩定；以泵出口壓力作為副控制變量，減少離心泵因為電源電壓和頻率的不穩引起的轉速變動，從而能更好保證泵出口壓力的穩定。

二級容器穩壓選用立式穩壓罐消除泵出口的高頻脈動。通過差壓傳感器測量罐內壓力，微機控制電磁閥進行補氣、放氣，使壓縮空氣壓力保持在0.3～0.4 MPa，從而對流體流動波動進行了緩沖，使流體中的氣泡析出，保證了流體的穩定。整個罐體容積設計滿足最大流量為45 m3最大壓力為0.3 MPa，輸出流量壓力波動值在0.1%以內。

3.4 數據采集及控制系統

相對于傳統的單片機、PLC等控制方式，虛擬儀器技術因其高效靈活的軟件和高性能的集成模塊化硬件，使其在自動化測試領域得到了快速發展，極大地縮短了產品的開發周期[8]。為了保證流量測試裝置具有較高的可靠性，在硬件上要考慮到工業現場的實際情況，滿足可測試性、可擴展性和可維護性要求。在此選用美國國家儀器（NI）公司的PXI系統作為硬件開發平臺，配合相應的板卡，來完成數據采集及控制任務。其配置參數如表2所示。

表2 PXI機箱配置參數及功能Tab.2 Configuration parameters and functions of PXI chassis

整個控制系統如圖5所示。PXIe-8840板卡作為實時目標端 （RT Target），PC作為主機端（Host PC），它們分別運行實時操作系統和Windows操作系統。目標端的數據采集及變頻控制程序和主機端的數據監控處理程序，通過以太網連接來進行數據交互。PXIe-4302板卡完成傳感器的4～20 mA電流信號采集，PXIe-6614完成流量計的脈沖/頻率計數及狀態信號采集，PXI-8433完成對變頻器的控制。

圖5 控制系統結構Fig.5 Structure of control system

4 軟件設計

LabVIEW是圖形化的開發環境，提供了大量的函數和控件，它無需人們掌握較多的軟件編程基礎，就可以簡單方便地開發數據采集和控制程序，同時設計出專業、美觀的用戶界面[9]。如圖6所示，該裝置的軟件開發系統主要完成用戶管理、系統設置、信息錄入、檢定參數設置、標定監控、業務管理等6個功能。

圖6 人機交互界面框圖Fig.6 Block of human-computer interaction interface

5 結語

標準表法流量標準裝置的精度取決于標準流量計的精度，提高了標準表的精度即提高了裝置的精度。本文采用E+H的0.05級科里奧利質量流量計作為標準表組，并配合變頻調速和穩壓罐的二級穩壓，在所有參數被嚴格控制和可測量的前提下，可以期望裝置的相對擴展不確定度達到或優于0.2%（k=2），滿足了高精度測試的需求。整套裝置適用口徑DN8-80的儀表標定，水流量標定范圍為0.5～38 m3/h。

同時，整套流量標準裝置可車載到現場進行流量計的標定工作，運用LabVIEW做成的人機交互界面，從客戶委托單信息錄入、到不同流量點檢定、再到報表生成，整個標定流程在現場操作靈活，節省了大量人力物力，提高了企業的生產效率。同時可以將該技術成果轉化為產品，在全國質檢行業推廣，以提高國內現場流量標定水平。

[1] 趙寧.移動式氣體流量標準裝置的研制[D].保定：河北大學，2010：9-10.

[2] 石建榮，趙作廣，周軼，等.移動式雙羅茨標準表法氣體流量標準裝置[J].中國計量，2013，18（7）：68.

[3] 顏一凡，劉勇，龔峰.便攜式超聲波流量計在管線測量中的應用[J].中國計量，2010，15（3）：106.

[4] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 643—2003標準表法流量標準裝置檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[5] 李綿冬，張超英，王玉森.基于標準表法流量標準裝置的設計與實現[J].中國儀器儀表，2006，17（12）：78-81.

[6] 何子延.水流量標準裝置變頻加容器穩壓系統研究[D].天津：天津大學，2010.

[7] 李寶.水流量標準裝置變頻調速穩壓系統研究[D].天津：天津大學，2009.

[8] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011：20-22.

[9] 徐國微.虛擬儀器技術在流量計檢定中應用研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2009.

Flow Test Facility for Field Service Based on Master Meter Method

HOU Xue-qing1，LI Bin2，CHENG Chao2
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2.School of Mechatronical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

On the basis of comparing and analyzing the traditional flow parameter testing methods，a field service flow test facility is designed to solve the problem of high accuracy measurement of water flow parameter test device.The whole device takes water as the medium，and the Coriolis flowmeters are used as master meters.The variable frequency pump and the surge tank are acted as the secondary regulation system，and the hardware and software platform of LabVIEW are used as the development system.The entire facility is small and light weight so that it can be carried to the scene for rapid calibration.It saved the standby time caused by the disassembly and examination of the flowmeter and greatly improved the production efficiency of the enterprise.The device fills the technical blank of field measurement and measurement of domestic water flow.

flow test facility；field service；master meter method；mass flowmeter；LabVIEW

TB937

A

1001-9944（2017）11-0024-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.006

2017-06-12；

2017-09-06

侯學青（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為自動化儀表。