現場服務型標準表法氣體流量標準裝置的研制

侯學青,李 斌,姚 蜜,強 盛

(1.上海市質量監督檢驗技術研究院 計量檢測所,上海 201114;2.上海大學 機電工程與自動化學院,上海 200444)

0 引言

我國提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。這意味著，非化石能源逐步取代化石能源是大勢所趨。在從化石能源向可再生能源轉型的過程中，我國首要任務就是降低煤炭的消費量。但不得不承認的是，可再生能源的建設和發展周期又相對較長。在這樣的情況下，天然氣作為介于傳統化石能源以及可再生能源之間的低碳清潔能源，其碳排放量低于煤炭、石油，且價格比可再生能源低廉。因此，中長期來看，天然氣將是中國實現碳中和目標的能源轉型橋梁。在今后10～15年內，中國天然氣快速發展的基本面沒有改變，天然氣消費持續增長的客觀條件依然存在，天然氣必將在未來的新興能源體系中占據一席之地[1-2]。

天然氣從生產到銷售再到客戶手中等過程均需要計量，計量使用的流量計數量就有數百萬之多[3]，除天然氣之外，在壓縮空氣、氧氣、氮氣以及相似類型能源如液化石油氣改天然氣、煤改氣的計量中，也需要使用大量的氣體流量計，計量這些氣體用到的流量計在逐年增加。如果被用于貿易結算，其計量精度和可靠性就必須要高，有些還要和國際能接得上軌，買家也希望價格昂貴的流量計能夠物有所值，這對流量計維持準確度提出了更高的要求[4]。

對于氣體流量計的檢測一般使用音速噴嘴法氣體流量標準裝置、pVTt法氣體流量標準裝置和鐘罩式氣體流量標準裝置。這些裝置一般體積都比較大、裝置的重量非常重，需要在開放的環境使用[5-6]。同時氣體流量計送檢，需要送到指定檢測單位進行離線檢測，檢測好之后再取回，來回送取通常需要一到兩天，再加上排隊及檢測的時間，最快也要一個禮拜才能重新裝在裝置上使用，大大增加了企業停產時間，降低了生產效率。目前已有使用音速噴嘴法氣體流量裝置安裝在卡車上進行移動的設計[7]。但是音速噴嘴為定點使用，不能連續調節流量，致使想要的流量點無法校準。亦有使用其他流量計作為標準表的可移動式氣體流量標準裝置[8]，但是以上裝置的重量都很重，需要的運輸工具很大，不方便攜帶，也無法進實驗室。因此，要求標準裝置既能準確地對流量計進行檢測，同時又能方便的移動到流量計的工況環境成了標準裝置的一個新的發展方向。

本文在學習總結國內外先進技術及各種設計的基礎上進行創新，設計模塊化，方便組裝及可移動的標準表法氣體流量標準裝置，以解決氣體流量計現場高精度檢測的問題。

1 裝置概述及設計指標

該裝置是以減少占用空間、可移動至現場、提高標定效率、降低能耗、提供高準確度的標定服務為總體設計思路。設計指標：

1)整體占用場地空間：不大于L2 200 mm*W1 500 mm*H1 800 mm;

2)整體重量：≤300 kg;

3)適用環境：溫度(5～45)℃；濕度(35～95)%RH；大氣壓力(86～106)kPa;

4)介質：空氣;

5)適用口徑：DN15, 25, 40, 50, 80;

6)流量范圍：0.5～270 m3/h;

7)裝置的相對擴展不確定度不大于0.63%(k=2);

8)穩定性不超過0.3%。

2 裝置原理

整個裝置的設計及檢定的依據是JJG 643-2003《標準表法流量標準裝置》[9]。裝置是以空氣為氣源的負壓法裝置。負壓法氣體流量標準裝置由于不需要大容量的儲罐儲存壓縮空氣，結構相對簡單，整套裝置處于常壓或負壓狀態，對裝置設備的壓力等級要求低，整套裝置的投資額僅相當于正壓法氣體流量裝置的一半，且減輕了裝置的整體重量。由于負壓法裝置不需要儲氣過程，僅依靠真空泵或風機連續抽負壓即可工作，不像正壓法裝置那樣一般只能間斷性的工作，因此負壓法裝置的工作效率是最高的，能在短時間內完成大量的檢定校準工作[10]。

圖1為本裝置的結構原理圖。標定時，首先根據設定的流量點選取標準表通道，然后打開相應通道的電動球閥，設置流量調節閥開度，啟動變頻器控制離心風機進行流量調節，在離心風機的作用下，空氣通過被檢流量計流入穩流罐，之后進入已選定的標準流量計，接著流入匯集罐，最后經離心風機流出。通過調節變頻器頻率和閥門開度使流量穩定。當設定流量穩定后，控制系統開始接收標準表和被檢流量計的信號，并測量標準表和被檢流量計處的溫度和壓力。到結束測試時，停止接收標準表和被檢表的信號。控制系統把標準表的體積量換算為被檢表的溫度和壓力狀況下的體積量，最終得出被檢流量計的計量性能。被檢流量計類型可以為渦街流量計、渦輪流量計、氣體腰輪流量計、膜式燃氣表[11-14]。

圖1 裝置的結構原理圖

3 裝置的硬件設計

圖2 硬件電氣結構示意圖

3.1 硬件的選型與裝置結構

常用以音速噴嘴流量計、速度式流量計和容積式流量計為標準表的標準裝置,在流量范圍、裝置能耗等方面各有特色[15]。三類裝置的性能比較如表1所示。

表1 三類標準裝置的性能的比較

該裝置的標準表選用2臺Elster氣體腰輪流量計(DN50,DN100,容積式)。這類流量計重復性(0.1%)、長期穩定性非常優良。控制器單元采用研華公司的IPC-900工控機、PCI系列板卡以及ADAM數據采集模塊組成，其中，ADAM-4117模塊采集羅斯蒙特溫度壓力變送器4～20 mA數據。PCI-1753中斷控制板卡以標準表的脈沖作為外部中斷源，啟停PCI-1780的脈沖計數功能。PCI-1780高速計數器板卡實現對標準表和被檢流量計脈沖輸出的計數以及輸出高低電平至繼電器控制電磁閥的開關。流量的調節是工控機通過Modbus協議控制ABB變頻器，Elektror離心風機及閥門結合實現的，可以在量程范圍內快速準確地調節到所需流量，使得標定工作效率大大提高。硬件電氣結構示意圖如圖2所示。

3.2 標準表的信號處理型

由于PCI-1780可接受的電壓為TTL 5 V，故需對標準表的頻率信號要做相應的處理。

標準表信號經過一級RC低通濾波，再通過TI OPA2347運放進行發大，最后經一級NE555定時器構成的施密特觸發器將波形整形后輸出給PCI-1780及PCI-1753。信號處理電路如圖3所示。

圖3 標準表信號處理電路

3.3 硬件功能的實現

當流量通過變頻器和閥門結合，達到設定點的±5%且穩定后，啟動標定功能。令PCI-1780發送1 MHz高頻脈沖，同時啟動3路脈沖計數器，分別記錄被檢流量計脈沖，高頻脈沖，標準表1或2的脈沖數(流量小于40 m3/h，使用標準表1，大于40 m3/h，則使用標準表2)。PCI-1753的C0或C2號口作為標準表1或2的脈沖中斷控制，開始標定后，不立即開始記數，當C0或C2號口的標準表脈沖到達下一個脈沖上升沿時，觸發中斷，記錄此時的被檢流量計的脈沖數NM1，標準表1或2的脈沖數NS1，同時記錄此時的高頻脈沖數HF1。

當達到被檢流量計1 000個脈沖后(若被檢流量計1 000個脈沖不足30秒，則取標準表用時30秒)，不立即停止計數，當C0或C2號口的標準表脈沖到達下一個脈沖上升沿時，觸發中斷，停止計數，記錄此時的被檢表脈沖數NM2，標準表1或2的脈沖數NS2，同時記錄此時高頻脈沖數HF2。

圖4 軟件系統框圖

可得出相關數據如下：被檢流量計脈沖數NM=NM2-NM1，標準表脈沖數NS=NS2-NS1，時間T=(HF2-HF1)/1 000 000。分別將被檢流量計和標準表的脈沖數乘以各自的脈沖當量，即可得到T時間段內的被檢流量計和標準表的累積體積量Qm和Qs。再根據ADAM-4117采集到的被檢流量計及標準表處的溫度，壓力。根據氣體狀態方程，將通過標準表的累計量修正到被檢表的溫度、壓力狀態下的累計量。其流量計算的數學公式[16]為：

(1)

檢定流量下的示值誤差:

(2)

式中,Qs為標準表的累計體積量，tm是被檢流量計處溫度，ts為標準表處溫度，Pm是被檢流量計處壓力，Ps是標準表處壓力。Qm、Qsm分別為被檢流量計的累積體積量、標準流量計溫壓補償后的累積體積量。

4 裝置的軟件設計

4.1 軟件的界面設計

隨著檢測技術的發展，虛擬儀器技術因為其強大的數據分析能力，強大的兼容性和集成化交互式的編程方式，在自動化檢測領域發揮著越來越大的作用。LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C語言開發軟件，其將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用于數據采集、分析、顯示的測控專業工具有機結合[17]。裝置的軟件系統提供了進行標定的簡單易用程序。通過軟件系統錄入工作訂單以及檢定參數可存儲到MySQL數據庫中，并通過數據庫和WORD文件格式將可跟蹤的標定數據存儲到本地。

因為CVI提供了豐富的反饋函數和圖形控件，人性化的軟件界面能被設計出來。本軟件包含兩個主要界面，登錄界面和主界面。登錄界面根據輸入的賬戶信息分配當前登錄人員可以使用的權限與功能。主界面包含7個子界面：工具界面、用戶管理界面，信息管理界面，被檢儀表界面，標定設置界面，標定監控界面和記錄證書界面。工具界面用于輸入修改當前系統的硬件參數信息。用戶管理界面實現添加賬戶、修改賬戶信息以及刪除賬戶的功能。信息管理界面用于測試人員輸入當前委托以及測試樣品信息。被檢儀表界面用于選擇當前測試的樣品以及測試介質信息的修改。標定監控界面主要實現被檢流量計檢定功能，記錄證書用于實現將測試信息整理導出。軟件系統如圖4所示。同時被檢流量計的檢定流程如圖5所示。

4.2 軟件的數據庫設計

標準表法氣體流量標準裝置應用軟件在使用過程中會產生大量關于被檢流量計的流量標定以及相關錄入信息等數據，因此，為了方便對上述信息數據進行管理，對標準表法氣體流量標準裝置應用軟件對MySQL數據庫系統進行了設計。

通常一份委托單中不僅具有客戶基本信息，還對應一個或多個待檢樣品。依照數據庫的第三范式規定，數據表中的每一列數據都應與主鍵直接相關。而委托單中存在著明顯的主次關系，且功能需求中有明確的業務管理要求，大量不必要的數據將增加數據庫的操作響應時間。為了滿足數據庫第三范式設計要求，提高系統的實時操作效率，MySQL數據庫將委托單中的業務信息與樣品信息存放在不同數據表中。

MySQL數據庫中進行數據庫結構設計時，共計User、Order、Sample、Calibrationsetting、Caliresult、Record和Facilityinfo七個數據表，其中前六個數據表存放流量標定業務流程中涉及較多的相關信息，最后一個表中存放標準表法氣體流量標準裝置的相關信息和檢定依據。具體內容如表2所示。

綜合以上結論，原發性閉角型青光眼疾病能夠基本滿足以人群形成的疾病篩查判斷標準，可構建政府可負擔、群眾認可且覆蓋面廣初級眼保健服務系統，對于國內篩查以及預防原發性閉角型青光眼十分有利。

圖5 流量計檢定流程

5 閉環控制算法

由于裝置的量程范圍較大：0.5～270 m3/h，且可檢定的被檢流量計的口徑較多(DN15,DN25,DN40,DN50,DN80)，后期還可能進行擴展。若使用PID控制，則需要在不同口徑的條件下，在不同的流量段內使用多套不同的PID參數，故PID參數整定工作量大，且在不同的工況及不同類型不同壓損的被檢表時可能會造成誤差。為了解決上述問題，故設計了一種新的閉環控制算法。

首先通過閥門及變頻器定頻使流量達到設置標定點的±5%穩定，通過在流量范圍對應的變頻器頻率如表3所示。

通過穩定性公式[9]按設計要求穩定性0.3%，計算出該標定點的最大計算容差。由氣體腰輪流量計的規格書得知標準表DN50，Qmax=40 m3/h時，頻率為

表2 數據庫結構設計

表3 流量范圍對應的變頻器頻率

127 Hz。故標準表DN50，1 m3/h時，10個脈沖用時約為3秒；標準表DN100，Qmax=400 m3/h時，頻率為295 Hz。故標準表DN100，10 m3/h時，23個脈沖用時約為3秒。故在使用標準表DN50時，設定流量點*10的數量為控制脈沖數(若流量小于1 m3/h時，則取10個脈沖作為控制脈沖數)；使用標準表DN100時，設定流量點*2.3的數量為控制脈沖數。

進入標定后，取第一組控制脈沖數的平均流量作為基準，之后每組控制脈沖數的平均流量與基準進行比較，若差值大于計算容差，則降低變頻器頻率0.1 Hz；反之若差值小于計算容差，則增加變頻器頻率0.1 Hz。若差值在計算容差范圍內，則變頻器頻率保持不變。

6 裝置的不確定度

裝置的不確定度由上海市計量測試技術研究院依據JJG 643-2003《標準表法流量標準裝置檢定規程》[9]檢定。

1)檢定標準表裝置的相對標準不確定度U1=0.10%;

3)標準表處溫度測量的相對標準不確定度U3=0.059%;

4)被檢流量計處溫度測量的相對標準不確定度U4=0.059%;

5)標準表處壓力測量的相對標準不確定度U5=0.12%;

6)被檢流量計處壓力測量的相對標準不確定度U6=0.12%;

7)計時器的相對標準不確定度U7=0.001%;

8)配套管路泄露引起的相對標準不確定度U8=0.15%。

裝置的合成相對擴展不確定度：

(3)

7 實驗結果與分析

7.1 累計時間之間的流量穩定性測試

測試時應根據裝置流量范圍選合適流量點進行測試，在單次累計時間內，各流量點應連續取 10 個以上瞬時流量值進行處理，最后取各流量點測試結果最大值作為標準裝置流量穩定性。

瞬時流量均值與流量穩定性計算公式如(4)～(5)所示。

(4)

(5)

式中,Eq為流量穩定性；k為覆蓋因子，取k=2。

標準裝置流量穩定性試驗采用一臺DN50口徑的氣體渦街流量計作為被測對象，分別對標準裝置35 m3/h、70 m3/h、140 m3/h、200 m3/h、270 m3/h流量點進行測試，結果顯示裝置流量穩定性優于0.123%，測試數據及處理結果如表4所示[18]。

表4 流量穩定性測試數據

7.2 累計時間之間的流量穩定性測試

測量結果的驗證采用傳遞比較法[19-20]，選取一臺DN25氣體腰輪流量計作為被測對象，測量范圍為1～35 m3/h，準確度等級為1.5級。被考核計量標準和高一級計量標準分別為：本裝置，測量范圍為0.5～270 m3/h，裝置標準不確定度Ulab=0.59%(k=2)；上海安鈞智能科技股份有限公司的音速噴嘴法氣體流量標準裝置，測量范圍為0.5～3 700 m3/h，裝置不確定度Uref=0.26%(k=2)。結果見表5。

表5 對比結果

8 結束語

本裝置具有體積小、重量輕、易于移動、重復性好、效率高、成本低等優點，解決了現場標定問題。裝置上的標準表、溫度壓力表等以及整套裝置都經過上海市計量測試技術研究院溯源檢定，檢定結果達到設計要求。可用于多種類型氣體流量計的檢定。可提高企業、實驗室設備的使用效率，帶來經濟效益的顯著提升，促進我國流量測量事業的發展。未來可進一步擴展裝置的流量上限以及增加可檢定氣體流量計的管徑。