流量計與氣體流量標準裝置同軸連接的研究

甄 楊，王錫鋼，施 鑫

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

近年來，伴隨著經濟的發展，我國能源的需求愈加強烈，隨之而來的能源危機的挑戰使能源計量的準確性問題日益顯著，氣體流量計廣泛應用于天然氣、蒸汽等領域的貿易結算中，均屬于我國計量法規定的強制檢定范圍，因此氣體流量計也越來越受到計量部門的重視，如何實現該類儀表更準確的量值傳遞成為計量部門面對的新問題。

目前，國內的氣體流量標定裝置主要有鐘罩式氣體流量標準裝置、PVTt式氣體流量標準裝置、以高精度容積式流量計為標準表法氣體流量標準裝置和臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置等。其中，鐘罩式氣體流量標準裝置、PVTt式氣體流量標準裝置結構較為復雜，且價格昂貴；而高精度容積式流量計需要進口、價格昂貴、且精度易發生變化，不易日后維護[1]。臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置是以音速噴嘴作為標準表，其結構簡單可靠，無可動部件，能夠準確地調節和控制流量，是目前我國省市級計量單位普遍采用的氣體流量標準裝置。

上世紀60年代末，英國國家工程試驗室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標準局、Colorado工程研究所、日本國家計量研究所就將臨界流文丘里噴嘴用于高壓大流量測試。從上世紀80年代開始，國內許多科研院所開展了針對噴嘴裝置相關研究，事實證明臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置是一種簡單可靠、準確度高、擴展不確定度較小的裝置，現已被ISO采納為國際標準ISO9300[2]。

在計量部門檢定過程中，目前尚無一種確定被檢流量計與標準裝置同軸連接的方法，普遍依靠人眼觀測以及經驗實現流量計與標準裝置的連接，這一方面增加了檢定人員的工作量以及工作難度，另一面如若流量計不能準確同軸連接在管道上，將會引起流經流量計內氣體的泄露，其次還會影響流量計內部氣體旋渦的產生，進而影響檢測的準確度，這無疑給檢定工作帶來了額外的不必要的誤差。為了實現檢定的高準確度，更準確地完成國家能源計量工作的量值傳遞，維護用戶的經濟利益，需要研究被檢流量計與臨界流文丘里噴嘴法氣體標準裝置同軸連接的方法，制定可行方案，提高檢定的準確度，并提高檢定過程的自動化程度和檢定效率。

1 方法原理以及試驗系統的搭建

本文研究被檢流量計與臨界流文丘里噴嘴法氣體標準裝置同軸連接的方法，基于該方法的試驗裝置由視頻采集模塊、紅外探測模塊、視頻顯示模塊和信息處理系統組成，如圖1所示。

圖1 同軸度檢測結構示意Fig.1 Diagram of the coaxial degree detecting structure

該系統中，信息處理系統是一個嵌入式系統的最小系統，主要由嵌入式處理器、電源子系統、SDRAM子系統、Flash子系統、復位系統以及串口和JTAG調試接口等部分組成。視頻采集模塊，包括視頻解碼芯片和視頻采集攝像頭兩部分，攝像頭負責視頻信息的采集，視頻解碼芯片把攝像頭采集到的視頻信號編碼后送給信息處理系統處理。紅外探測模塊，由紅外光電三極管、單片機、可觸摸液晶屏組成，光電三極管將檢測到的光電壓值傳送給單片機，單片機將處理后的信息顯示在觸摸液晶屏上。視頻顯示模塊包括視頻編碼芯片和LCD顯示屏兩部分，視頻采集模塊采集到的視頻信息，經過信息處理系統處理后，再通過視頻編碼芯片編碼，輸出到LCD顯示屏上。

1.1 視頻采集模塊

紅外光源作為檢測系統的光源部分，其作用即可以實時傳輸管道內部圖像，提供給操作人員直觀的管道內部視覺信息，又可以在管道內部發出一束充滿管道的紅外光柱，以便于接收端探測。紅外電視技術是一種成熟的識別成像技術，其將電視技術與主動紅外夜視技術相結合，用不可見紅外輻射主動照明目標，并用對此紅外輻射波段敏感的高靈敏攝像機攝像的手段進行夜視。它綜合了紅外主動夜視不受環境照度限制，能在完全黑暗的環境中攝像、成本低、圖像相對清晰的特點，以及電視方法能傳輸圖像、能錄像的特點。如圖2所示，本裝置選用工業級紅外攝像頭作為紅外光源，將攝像頭采集到的管道內部圖像傳輸進可移動液晶顯示屏，方便檢測人員實時觀察管道內部流量計與管道同軸情況。

圖2 視頻采集單元Fig.2 Video acquisition unit

1.2 紅外探測模塊

紅外探測技術，是利用紅外光實現檢測各類參數的技術。紅外光是一種波長介于微波與可見光之間的電磁波輻射，肉眼無法覺察。要探測到這種輻射，并測量其大小，必須將它轉換成可以探測得到的其他物理量。物體經紅外輻射照射后所產生的反應，只要其大小可以被測量，均可用來檢測紅外輻射的強弱。紅外探測器的主要原理是光電效應和紅外熱效應。這些效應基本以電信號形式輸出，或者以其它方式轉換成電信號輸出。紅外光電三極管是一種典型的紅外器件，它是一種晶體管，是在光電二極管技術的基礎之上發展起來的光電器件，本身具有放大功能[3]。它有三個電極。電極之間的電阻會隨著光照大小的變化而變化。如圖3所示，本裝置選用8個紅外光電三極管作為光電探測元件，安裝在輔助標準法蘭內側，探出法蘭管道內壁1 mm，輔助標準法蘭可通過螺栓固定在被檢流量計法蘭上，其可以靈敏地探測到紅外光源發出的紅外光線，并將光強轉換為電壓信號由數據傳輸系統輸出到液晶終端，以供檢測人員判斷管道同軸情況，若8個探測器檢測電壓相同則可認為流量計與裝置在±1 mm誤差范圍內實現了同軸連接。

圖3 紅外探測模塊Fig.3 Infrared detection module

1.3 數據傳輸及處理與圖像的解析

根據紅外成像的原理，紅外攝像機拍攝的圖像和普通的彩色攝像機拍攝的圖像相比有一些不同的特點，比如：紅外圖像噪點比較多，邊緣不明顯。為了實現后期準確的識別，需要對圖像進行預處理。通過圖像的去噪技術，會減少噪點對圖像的影響；通過對比度增強技術，可以把運動目標和背景的區分度變大，提高實時檢測時的準確率。圖4為整個同軸度檢測系統工作流程，圖5為試驗裝置液晶終端顯示，分別為視頻終端和紅外探測終端，顯示信息可直接反饋給檢測人員以便于操作。

圖4 同軸檢測系統工作流程Fig.4 Flow chart of coaxial monitoring system principle

圖5 同軸試驗裝置液晶終端顯示Fig.5 Liquid crystal display of coaxial experimental device

2 試驗分析

試驗依據國家檢定規程JJG 1121-2015《旋進旋渦流量計》[4]進行，選用某儀表企業生產精確度等級為1.5級，DN80口徑，型號為LUX-80的旋進旋渦流量計，儀表編號為1412190，流量范圍（18～200）m3/h，試驗如圖6所示。圖7為輔助標準法蘭內側光電三極管編號分布。

圖6 同軸試驗Fig.6 Coaxial experiment

圖7 光電三極管編號分布Fig.7 Number distribution of the photoelectric triode

由表2試驗數據可知，當儀表按照表1情況對準同軸情況下，依據規程進行檢定，該儀表qt≤q≤qmax相對示值誤差1.18%，重復性誤差0.07%，qmin≤q＜qt相對示值誤差+2.09，重復性誤差0.14%，儀表系數為10108.3（1/m3），準確度等級符合1.5級。當儀表在表2未實現對準同軸，儀表軸線中心高于標準裝置軸線中心情況下，該流量計各點儀表系數已經發生變化，尤其在小流量點變化顯著，偏差達到+102.7（1/m3），儀表系數整體偏差了-101.3（1/m3），依據規程經檢定，該儀表 qmin≤q＜qt區間示值誤差超差，準確度等級不符合1.5級，檢定結果不合格[5]。

表1 同軸試驗光電檢測數據Tab.1 Coaxial alignment photoelectric detection data

表2 同軸度試驗儀表試驗數據Tab.2 Data of the coaxial experiments

因此可見計量部門檢定人員在檢定時由于人為未同軸連接流量計的失誤引入的誤差足以產生檢定誤判情況。

3 結語

氣體流量計作為貿易計量的重要計量器具其使用已經越來越廣泛，目前廣泛應用于天然氣、蒸汽等貿易結算領域。與此同時該流量計的量值傳遞工作也愈加重要，其量值溯源的準確度直接關系到企業和百姓的切身經濟利益。本文研究了氣體流量計與臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置同軸連接方法，目標為實現該類流量計與標準裝置誤差在±1 mm內的同軸連接。經過試驗分析進一步證明了氣體流量計與標準裝置同軸連接的重要性。

[1]蘇彥勛，楊有濤.流量檢測技術[M].北京：中國質檢出版社，2012.

[2]ISO9300-1990.low venturi nozzles[S].

[3]李園，宋艷霞，邢磊.紅外探測技術的應用[J].科技信息，2011（22）：85.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 1121-2015旋進旋渦流量計[S].北京：中國標準出版社，2015.

[5]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2009.