厲志飛 孫 斌

(1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，杭州 310019；2.中國計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

常規(guī)的流量計(jì)儀表系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)通過PLC等控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、脈沖計(jì)數(shù)以及定時(shí)功能，但控制器結(jié)構(gòu)及本身特征決定了校準(zhǔn)單臺(tái)儀表定時(shí)時(shí)間只能達(dá)到毫秒級，勉強(qiáng)滿足校準(zhǔn)規(guī)范要求，如果同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)流量儀表系數(shù)，定時(shí)器基本無法滿足。另外，脈沖計(jì)數(shù)也對校準(zhǔn)結(jié)果有直接影響，傳統(tǒng)的方法只能計(jì)量整數(shù)個(gè)脈沖，特別是在小流量時(shí)丟失一個(gè)脈沖就會(huì)帶來較大的誤差，為了提高精度，必須增加校準(zhǔn)時(shí)間，這就降低了校準(zhǔn)效率。尤其對于同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)儀表時(shí)，傳統(tǒng)的控制方案很難滿足要求。例如：對于0.2%的電磁流量計(jì)，在校準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)累計(jì)發(fā)出了1000個(gè)脈沖，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了通用的計(jì)數(shù)方法，脈沖可能產(chǎn)生1個(gè)脈沖的誤差，這樣，由于脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生的誤差就達(dá)到了0.1%，這是不能允許的。

本文采用FPGA技術(shù)，開發(fā)一種新的脈沖型流量計(jì)儀表系數(shù)高精度自動(dòng)校準(zhǔn)方法，可以實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)該類儀表系數(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)，可以明顯提高校準(zhǔn)精度、縮短校準(zhǔn)時(shí)間。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

流量計(jì)儀表系數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。水作為標(biāo)定介質(zhì)液體，在管路系統(tǒng)中循環(huán)。同一時(shí)刻流過標(biāo)準(zhǔn)表的流量與流過被檢表的流量是相等的，以此來實(shí)現(xiàn)對被檢表的儀表系數(shù)的標(biāo)定。其中，管路1、2分別代表小管徑流量計(jì)標(biāo)定管路、大管徑流量計(jì)標(biāo)定管路，標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表在管路中的位置按照規(guī)定經(jīng)過計(jì)算分配，以提高標(biāo)定的儀表系數(shù)準(zhǔn)確度[3]。

圖1 流量計(jì)儀表系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

絕大多數(shù)的液體流量儀表輸出的信號有三種：4～20mA電流信號、脈沖信號、表頭顯示。選用穩(wěn)定性高、重復(fù)性好、精度好的流量儀表作為標(biāo)準(zhǔn)表對被檢表進(jìn)行流量量值傳遞，即為被檢表標(biāo)定儀表系數(shù)。在一定的流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)K是指流量計(jì)當(dāng)前輸出脈沖頻率f與流量Q的正比值：

K=f/Q

(1)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表法原理：在同一時(shí)刻，流過標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的流量是相等的，

Qs=fs/Ks

(2)

Qc=fc/Kc

(3)

Qs=Qc

(4)

Kc=fcKs/fs

(5)

式中：Qs為標(biāo)準(zhǔn)表的流量示值；Qc為被檢表的流量示值；fs為標(biāo)準(zhǔn)表脈沖頻率；fc為被檢表脈沖頻率；Ks是標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù)；Kc是被檢表的儀表系數(shù)。

被檢表的儀表系數(shù)取決于在校準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表脈沖頻率、被檢表脈沖頻率以及標(biāo)準(zhǔn)表儀表系數(shù)。因此，確定準(zhǔn)確的被檢儀表系數(shù)關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取同一時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的真實(shí)脈沖數(shù)。按照校準(zhǔn)規(guī)范，如果要求脈沖計(jì)數(shù)的不確定度在校準(zhǔn)系統(tǒng)里面可以忽略，必須要求一次校準(zhǔn)的脈沖總數(shù)大于20000個(gè)，然而在許多情況特別是大口徑直接脈沖輸出型流量計(jì)上不能滿足這個(gè)要求，計(jì)數(shù)會(huì)產(chǎn)生很大的不確定度。

為了提高被檢表的儀表系數(shù)校準(zhǔn)精度，采用雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)方法是很好的解決方案，但是利用現(xiàn)在主流的控制器還很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，必須重新開發(fā)一種新型的控制器，以滿足高精度計(jì)時(shí)的技術(shù)要求。根據(jù)已有資料，通過FPGA技術(shù)開發(fā)一種可以同時(shí)校準(zhǔn)8臺(tái)相同儀表的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其核心技術(shù)就是采用雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)方法。

1.1 雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)原理

雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)法是利用兩個(gè)高速計(jì)時(shí)器和相應(yīng)的開關(guān)邏輯，在檢測信號和流量計(jì)脈沖的控制下，將脈沖計(jì)數(shù)分辨率由整數(shù)計(jì)數(shù)提高為整數(shù)脈沖加上小數(shù)(通常為兩位小數(shù))的技術(shù)。將該技術(shù)用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的待測脈沖計(jì)數(shù)中，可以保證在脈沖較少的情況下，系統(tǒng)對于待測表脈沖計(jì)數(shù)的不確定度一直小于0.01%。其基本原理如圖2所示,圖中tH表示已經(jīng)就緒，可以開始工作時(shí)間，tOK表示校準(zhǔn)工作結(jié)束或進(jìn)行最后一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)時(shí)刻，V,V1,V2分別代表標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表1、被檢表2的體積流量。

①開始校準(zhǔn)信號；②被檢表1開始計(jì)數(shù)；③被檢表2計(jì)數(shù)開始；④校準(zhǔn)結(jié)束信號；⑤被檢表2結(jié)束計(jì)數(shù)；⑥被檢表1結(jié)束計(jì)數(shù)圖2 雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)原理

雙計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)法流量儀表系數(shù)校準(zhǔn)方法如下：首先啟動(dòng)變頻器調(diào)節(jié)流量，待檢測到流量穩(wěn)定后等待開始校準(zhǔn)信號①；在開始校準(zhǔn)信號①由控制器發(fā)出后，標(biāo)準(zhǔn)表脈沖計(jì)數(shù)器檢測到第一個(gè)脈沖的上升沿開始計(jì)數(shù)，同時(shí)定時(shí)器T開始定時(shí)；被檢表1脈沖計(jì)數(shù)在校準(zhǔn)信號①發(fā)出后，檢測到第一個(gè)脈沖的上升沿②后開始計(jì)數(shù)，同時(shí)定時(shí)器T1開始定時(shí)；被檢表2脈沖計(jì)數(shù)在校準(zhǔn)信號①發(fā)出后，檢測到第一個(gè)脈沖的上升沿③后開始計(jì)數(shù)，同時(shí)定時(shí)器T2開始定時(shí)。

當(dāng)接收到校準(zhǔn)結(jié)束信號④時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表脈沖計(jì)數(shù)器檢測結(jié)束信號后的第一個(gè)脈沖上升沿結(jié)束計(jì)數(shù)，同時(shí)定時(shí)器T結(jié)束定時(shí)，記錄定時(shí)時(shí)間T，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)N。被檢表脈沖計(jì)數(shù)器在接收到結(jié)束信號④后檢測第一個(gè)脈沖的上升并進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)停止定時(shí)器T1定時(shí)，記錄定時(shí)時(shí)間T1，脈沖數(shù)N1。被檢表2依據(jù)同樣原理進(jìn)行計(jì)數(shù)，并記錄定時(shí)時(shí)間T2，脈沖數(shù)N2。

最后根據(jù)三個(gè)計(jì)數(shù)器以及三個(gè)計(jì)數(shù)器獲得脈沖數(shù)以及定時(shí)時(shí)間，得到：

fc1=N1/T1

(6)

fc2=N2/T2

(7)

fs=N/T

(8)

式中：fc1、fc2分別為被檢表1和被檢表2的測量脈沖頻率。

把式(6)、(7)、(8)代入式⑸分別得到被檢表1和被檢表2的流量儀表系數(shù)：

(9)

(10)

式中：Kc1、Kc2分別為被檢表1和被檢表2的計(jì)算流量儀表系數(shù)。

(11)

1.2 實(shí)驗(yàn)測試

通過表1的測試結(jié)果及理論分析可知，采用同步雙計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)可以保證計(jì)數(shù)器在脈沖較少的情況下，系統(tǒng)對于待測表脈沖計(jì)數(shù)的不確定度一直小于0.01%。因此，設(shè)計(jì)的同步雙計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的計(jì)量誤差，在標(biāo)準(zhǔn)表流量裝置中對系統(tǒng)的不確定度可以忽略。

表1計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性測試

表2電磁流量計(jì)現(xiàn)場測試結(jié)果

續(xù)表

基于標(biāo)準(zhǔn)表法和雙計(jì)時(shí)脈沖插值原理，研制了一套電磁流量計(jì)儀表系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對變頻器的遠(yuǎn)程控制以取得不同的標(biāo)定流量點(diǎn)，等待水流在流量點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)表和多臺(tái)被檢表輸出的脈沖信號及時(shí)間。采集完所有流量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后對所取得的數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、顯示并生成報(bào)表，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以此實(shí)現(xiàn)被檢表儀表系數(shù)的自動(dòng)標(biāo)定。測試結(jié)果如表2所示。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，該系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確度，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2 結(jié)論

利用FPGA開發(fā)了一套高精度的脈沖型儀表校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用控制器硬件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表和多臺(tái)被檢表的同步計(jì)數(shù)與定時(shí)功能，通過雙計(jì)時(shí)法可以明顯提高脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，可以同時(shí)校準(zhǔn)8臺(tái)流量儀表。該系統(tǒng)定時(shí)精度能夠達(dá)到納秒級，脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)小數(shù)脈沖測量能力。通過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該校準(zhǔn)系統(tǒng)較常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)表法具有更高的校準(zhǔn)精度和更短的校準(zhǔn)時(shí)間，可以極大地提高流量儀表企業(yè)儀表校準(zhǔn)效率，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值，也適用于流量儀表出廠時(shí)流量儀表系數(shù)的標(biāo)定。

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