引言：標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是使用較多的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，尤其是一些流量計(jì)的生產(chǎn)企業(yè)建立此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)裝置較多。隨著中國(guó)城市工業(yè)化速度的加快，城市環(huán)保的要求 和城市天然氣、蒸汽供應(yīng)量日益增大，所使用的氣體流量計(jì)口徑越來(lái)越大。大口徑流量計(jì)的檢定及標(biāo)準(zhǔn)表的溯源目前存在困難便顯現(xiàn)出來(lái)。

但是如果采用并聯(lián)使用標(biāo)準(zhǔn)表的方式，只使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定曲線上一個(gè)有限段，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)標(biāo)定準(zhǔn)確度可以提高。同樣也可以使被檢流量計(jì)的流量范圍達(dá)到需求。采用并聯(lián)式標(biāo)準(zhǔn)表作為氣體校驗(yàn)裝置在國(guó)內(nèi)外已有廣泛的應(yīng)用，如國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置就是采用并聯(lián)方式；20世紀(jì)90年代加拿大建成的北美最大的天然氣實(shí)流校驗(yàn)裝置是6臺(tái)DN400與2臺(tái)DN200的渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表來(lái)校驗(yàn)DN750以下的各種口徑流量計(jì)。

山東境內(nèi)有數(shù)十家渦街流量計(jì)生產(chǎn)企業(yè)，近年來(lái)利用渦街流量傳感器建立并聯(lián)式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量檢定裝置方面也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，并聯(lián)方式在校驗(yàn)大口徑流量計(jì)上是有其優(yōu)勢(shì)的。

二.基本原理

氣體渦街流量傳感器的準(zhǔn)確度一般在0.5級(jí)～1.5級(jí)的水平上，是無(wú)法作為0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用的，當(dāng)只使用標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器檢定曲線上一個(gè)有限段時(shí)。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)標(biāo)定準(zhǔn)確度可以得到提高。同樣用以檢定被檢流量計(jì)的準(zhǔn)確度也可以提高。在這一有限測(cè)量范圍內(nèi)儀表系數(shù)K的相對(duì)誤差將小于儀表系數(shù)的全量程的誤差。

試驗(yàn)結(jié)果表明若量程比為2：1或3：1，在定點(diǎn)標(biāo)定時(shí)能滿足要求，因此，使用該傳感器標(biāo)準(zhǔn)，建立氣體流量裝置是可行的。

并聯(lián)方式的就是用幾臺(tái)有限測(cè)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)并聯(lián)代替大量程的單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，使用高精度低量限的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)使標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的檢定溯源問題簡(jiǎn)化。根據(jù)該方式建立起一個(gè)比較測(cè)量系統(tǒng), 以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，使氣體在相同的時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，比較兩者的流量值，從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。

在同一技術(shù)時(shí)間間隔內(nèi)，流經(jīng)所有標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器的氣體質(zhì)量應(yīng)等于流經(jīng)被校表的氣體質(zhì)量。根據(jù)理想氣體質(zhì)量方程PV=nRT可知，只要測(cè)得氣體工況流量及該時(shí)間的溫度及壓力即可求出流經(jīng)被校表的質(zhì)量流量；根據(jù)檢測(cè)到的被校表的壓力和溫度及脈沖數(shù)即可計(jì)算出被校表的流量常數(shù)。

三.系統(tǒng)構(gòu)成

并聯(lián)式氣體流量裝置由變頻風(fēng)機(jī)（氣源）緩沖罐及管路，標(biāo)準(zhǔn)流量傳感器，工控機(jī)（計(jì)時(shí)器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）等幾部分組成。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

    說(shuō)明：

   1.風(fēng)源包含高壓風(fēng)機(jī)、空氣機(jī)、變頻器
    2.進(jìn)氣管
    3.緩沖罐
    4.標(biāo)準(zhǔn)表
    5.分流罐
    6.被檢流量計(jì)

該裝置由數(shù)臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器并聯(lián)組成；為方便核查標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)表處留有備用接口，以方便用高精度的氣體流量計(jì)來(lái)隨時(shí)核查標(biāo)準(zhǔn)傳感器的準(zhǔn)確度以及校驗(yàn)小口徑渦街傳感器使用。該裝置采用的是高壓離心風(fēng)機(jī)，為了穩(wěn)定氣源的流量和壓力，該風(fēng)機(jī)由一臺(tái)變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

標(biāo)準(zhǔn)表前后直管端均采用前25D后10D的設(shè)計(jì)，滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T9294-1999及檢定規(guī)程JJG643-2003的要求。

四.數(shù)學(xué)模型的建立

因檢測(cè)介質(zhì)是空氣，可視為理想氣體，圖2是三臺(tái)并聯(lián)流量傳感器的示意圖：

圖2.并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)示意圖

由數(shù)學(xué)模型可知，被檢表的流量系數(shù)的確定是由標(biāo)準(zhǔn)表的溫度、壓力、流量系數(shù)，被檢表的溫度、壓力來(lái)決定的；并且可以看出被檢表的流量大小是由標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)量及其流量大小來(lái)決定的。如果風(fēng)源足夠大，理論上只要增加標(biāo)準(zhǔn)表的數(shù)量就可達(dá)到校驗(yàn)大流量傳感器的目的。

五.硬件的組成及軟件的實(shí)現(xiàn)

考慮到長(zhǎng)期連續(xù)使用的可靠性，控制系統(tǒng)采用的是工業(yè)PC機(jī)，采集信號(hào)選用高性能數(shù)字采集卡；模入模出接口卡；光電隔離脈沖計(jì)數(shù)定時(shí)接卡等。16路模擬量采負(fù)責(zé)采集溫度、壓力等模擬量信號(hào)，開關(guān)量板卡負(fù)責(zé)氣動(dòng)閥門的開關(guān)控制信號(hào)。

系統(tǒng)采用亞控工業(yè)組態(tài)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，以VC++，VB編程平臺(tái)為輔助，使運(yùn)行有良好的人機(jī)界面，操作直觀，簡(jiǎn)便。

系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮校驗(yàn)大流量流量傳感器時(shí)，并聯(lián)使用標(biāo)準(zhǔn)表校驗(yàn)大口徑傳感器的小流量時(shí)選擇一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)傳感器，讓該流量落在標(biāo)準(zhǔn)傳感器的中限；在校驗(yàn)大口徑大 流量時(shí)則同時(shí)開啟兩種以上標(biāo)準(zhǔn)傳感器，如果各標(biāo)準(zhǔn)表流量不滿足標(biāo)準(zhǔn)傳感器的要求，則通過調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)壓來(lái)達(dá)到要求。要求根據(jù)被校表的流量來(lái)選擇最合適的標(biāo)準(zhǔn) 傳感器，選擇標(biāo)準(zhǔn)傳感器的原則是：

 1.使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器的溯源流量點(diǎn)；
 2.使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器的中限流量。

另該裝置仍可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的串聯(lián)定點(diǎn)標(biāo)定方式，如校驗(yàn)DN100傳感器，則將除DN100的其他標(biāo)準(zhǔn)傳感器的閥門關(guān)閉，在檢定時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)參數(shù)來(lái)校驗(yàn)被校表即可。軟件總體的設(shè)計(jì)流程如下：

圖3 軟件總體的設(shè)計(jì)流程圖

在數(shù)據(jù)處理的過程中，脈沖計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)方法和讀取方法是一個(gè)關(guān)鍵，直接影響到檢定結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠。在這個(gè)過程處理時(shí)一般有定脈沖和定時(shí)兩種方法。下面就定時(shí)方法做簡(jiǎn)單介紹。

方法一：開啟一個(gè)定時(shí)器，同時(shí)將計(jì)數(shù)器的內(nèi)容清零并打開計(jì)數(shù)器。當(dāng)定時(shí)器到達(dá)定時(shí)時(shí)刻時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器；同時(shí)讀取計(jì)數(shù)器的內(nèi)容并清零計(jì)數(shù)器，進(jìn)行下一個(gè)定時(shí)周期的計(jì)數(shù)，將讀取的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

方法二：開啟一個(gè)定時(shí)器，打開計(jì)數(shù)器的同時(shí)將計(jì)數(shù)器的內(nèi)容保存在一個(gè)數(shù)據(jù)存貯器（F1）中；在定時(shí)器到達(dá)定時(shí)時(shí)刻時(shí)，讀取計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)存貯在數(shù)據(jù)存貯器（F2）中。做如下操作：

    ΔF= F2- F1；F2送F1。

    ΔF為在定時(shí)時(shí)刻內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)數(shù)值，將該數(shù)值進(jìn)行處理運(yùn)算。注意：當(dāng)F2＜F1時(shí)，應(yīng)對(duì)  ΔF求補(bǔ)，以獲得真值。

兩種方法中，第一種在計(jì)數(shù)的關(guān)閉、開啟過程種可能丟失脈沖數(shù)，產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差，程序簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快。第二種由于計(jì)數(shù)器是連續(xù)計(jì)數(shù)，所以不會(huì)產(chǎn)生脈沖的丟失但程序處理較復(fù)雜，占用內(nèi)存較多。但為提高儀表的準(zhǔn)確度最好采取第二種方法進(jìn)行脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和讀取。

方法二流程圖如下：

 圖4 脈沖計(jì)數(shù)流程圖

六.流量校驗(yàn)

系統(tǒng)投入運(yùn)行后，首先通過參數(shù)比對(duì)的方式與省計(jì)量所的檢定裝置進(jìn)行了數(shù)值比對(duì)。在校驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)變頻控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速，通過氣動(dòng)閥門選擇不同型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行組合，使標(biāo)準(zhǔn)表的流量落到它的中限以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

注意事項(xiàng)：

第一點(diǎn)：設(shè)計(jì)裝置中要注意管道壓力損失，選擇合適風(fēng)壓風(fēng)機(jī)尤為重要，如果不經(jīng)過合理計(jì)算，選擇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不恰當(dāng)，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)校驗(yàn)小口徑傳感器時(shí)上限上不去的現(xiàn)象。

第二點(diǎn)：選擇合適閥門，保證校驗(yàn)過程中閥門一點(diǎn)不泄漏是保證校驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要一環(huán)。我們?cè)谡{(diào)試裝置和使用中發(fā)現(xiàn)，即使閥門有一絲泄漏，對(duì)被校表的儀表常 數(shù)都有較大影響，如果標(biāo)準(zhǔn)表的閥門泄漏，被校表的儀表常數(shù)常增加很多。選擇大廠生產(chǎn)的蝶閥或球閥是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

第三點(diǎn)：要保證校驗(yàn)過程溫度、壓力保持穩(wěn)定，特別是每次三點(diǎn)的檢定過程。

第四點(diǎn)：裝置在制作安裝過程中要精細(xì)，保證管道的同心度和直管端，以及法蘭連接的焊口要平齊，密封墊不得突入管道內(nèi)。

七.此裝置主要用于標(biāo)定西森自動(dòng)化自主生產(chǎn)的渦街流量計(jì)、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)等氣體流量計(jì)

七.結(jié)束語(yǔ)

隨著大口徑傳感器的實(shí)際應(yīng)用，建設(shè)大流量校驗(yàn)裝置已成為的迫切需要。并聯(lián)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置因其兼容常規(guī)的串聯(lián)校驗(yàn)方式，投資少建設(shè)周期短而得到重視。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，必將不斷完善，也將得到很快的發(fā)展。