姚 靈 / 寧波水表股份有限公司

0 引言

當(dāng)前，水表產(chǎn)品已從傳統(tǒng)機(jī)械水表逐步向機(jī)械水表、帶電子裝置水表和電子水表三者并存的新階段發(fā)展。隨著新技術(shù)和新方法的不斷引入，水表產(chǎn)品的測(cè)量范圍和測(cè)量準(zhǔn)確度顯著提高，水表在水資源管理方面的作用也日益加強(qiáng)。

在性能穩(wěn)定的機(jī)械水表中設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及校準(zhǔn)和信號(hào)處理技術(shù)，可以構(gòu)成流量測(cè)量特性?xún)?yōu)良的新型電子水表。機(jī)械水表在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)，其測(cè)量特性具有復(fù)雜的非線性，導(dǎo)致寬量程水表的示值誤差很難控制在最大允許誤差范圍內(nèi)。新的水表標(biāo)準(zhǔn)將流量高區(qū)范圍作了大幅壓縮，對(duì)水表線性度提出更高要求，也使原有水表特性面臨更大挑戰(zhàn)。

水表中嵌入特性校準(zhǔn)器件和方法，可以減少測(cè)量誤差，提高線性度。常用校準(zhǔn)方法主要有內(nèi)存查表法，即將水表特性曲線（即誤差曲線）劃分成若干段，然后分別加以修正并將修正值存入存儲(chǔ)器。該方法的不足是：如果將特性曲線劃分成很多段，每段范圍都很窄，則雖可以將水表的誤差控制在較小的范圍內(nèi)，但其代價(jià)是校準(zhǔn)工作量大、校準(zhǔn)成本高、工作效率低；如果將特性曲線區(qū)間劃分得比較寬，即校準(zhǔn)特性段比較少，則校準(zhǔn)后特性曲線的彎曲度和轉(zhuǎn)換點(diǎn)的數(shù)值離散性會(huì)很大，這樣就難以滿(mǎn)足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。上述兩種校準(zhǔn)狀態(tài)見(jiàn)圖1。本文介紹的基于擬合直線方程的校準(zhǔn)方法可以在劃分較少校準(zhǔn)區(qū)間段的條件下，得到較為平直的水表誤差特性曲線。

圖1 查表法校準(zhǔn)示意圖

1 水表特性描述

當(dāng)管道內(nèi)水流體通過(guò)機(jī)械水表葉輪時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速就會(huì)隨水的流量大小而改變，且轉(zhuǎn)速快慢與被測(cè)流量大小成比例。水表流量測(cè)量特性主要由儀表系數(shù)所決定，

式中：Ki— 某流量點(diǎn)儀表系數(shù)；

Ni— 某流量點(diǎn)水表葉輪轉(zhuǎn)速；

Qi— 某流量點(diǎn)的流量值

理想情況下，整個(gè)流量測(cè)量范圍內(nèi)水表的儀表系數(shù)為常數(shù)，此時(shí)其N(xiāo) - Q 特性為直線，見(jiàn)圖2（a）；實(shí)際情況下水表特性是曲線，即在流量測(cè)量范圍內(nèi)的不同流量點(diǎn)上，其儀表系數(shù)是變化的，見(jiàn)圖2（b）。

圖2 葉輪式機(jī)械水表流量測(cè)量特性

通常，未經(jīng)校準(zhǔn)的水表特性會(huì)導(dǎo)致其誤差曲線同步彎曲，使得部分測(cè)量值超出最大允許誤差ε的界限（見(jiàn)圖1）。

在水表葉輪上設(shè)置機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，可將葉輪旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成輸出的電脈沖。累積流量V與累積脈沖數(shù)M 之比稱(chēng)為脈沖當(dāng)量k，即單位脈沖所反映的體積量。通過(guò)記錄累積脈沖數(shù)和獲得經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定的脈沖當(dāng)量值，即可求得累積流量，即實(shí)際用水量V，

因此，只要調(diào)整儀表系數(shù)Ki或脈沖當(dāng)量ki，即可校準(zhǔn)水表的實(shí)際測(cè)得值。

對(duì)水表n 個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)流測(cè)量，取各點(diǎn)的平均值就可確定水表未校準(zhǔn)誤差的特性曲線。

水表相對(duì)示值誤差可按下式計(jì)算

式中：VI— 水表測(cè)得的累積流量值（即指示體積）；

VS— 裝置提供的標(biāo)準(zhǔn)累積流量值（即實(shí)際體積）；

ε—水表相對(duì)示值誤差

當(dāng)VI/VS= 1 時(shí)，水表示值相對(duì)誤差為零，此時(shí)水表的儀表系數(shù)或脈沖當(dāng)量為理想值。校準(zhǔn)的目的是使各流量點(diǎn)的VI盡量接近于VS。

2 校準(zhǔn)方法和程序

在實(shí)流測(cè)量條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定水表誤差特性曲線并在坐標(biāo)紙上畫(huà)出曲線圖，見(jiàn)圖3中原始誤差曲線。

1）在水表誤差曲線拐點(diǎn)或拐點(diǎn)附近處建立校準(zhǔn)區(qū)間分界點(diǎn)。

2）建立校準(zhǔn)區(qū)間擬合直線方程：

式中：ε — 水表示值誤差；

Q — 校準(zhǔn)擬合直線方程下的被測(cè)流量值；

a — 擬合直線方程的截距；

3）建立誤差曲線與水表測(cè)得的實(shí)際體積VI之間的關(guān)系：

圖3 誤差曲線校準(zhǔn)區(qū)間劃分示意圖

4）建立校準(zhǔn)系數(shù)：

因?yàn)閂I= [（a + bQ）+1]VS

所以當(dāng) [（a + bQ）+1]=1，即VI= VS時(shí)，

3 校準(zhǔn)舉例

1）在誤差曲線中截取一段線性度較好的校準(zhǔn)區(qū)間，見(jiàn)圖4。在截取點(diǎn)之間劃出一條擬合直線，寫(xiě)出直線方程：ε= a + bQ；將坐標(biāo)零位從0 處平移至0′ 處，可得直線方程截距：a = - 0.04 ，直線方程斜率：（設(shè)：q2= 0.300 m3/h，q1= 0.100 m3/h）；經(jīng)坐標(biāo)變換后得：

注：水表在q2、q1流量下的示值誤差ε2、ε1是在實(shí)流校準(zhǔn)條件下得到的。

圖4 校準(zhǔn)擬合直線方程舉例

2）根據(jù)上述參數(shù)，代入后的直線方程為

3）當(dāng)Q = 0.200 m3/h時(shí)，VI= 1.05 VS，ε= 0.05（即示值誤差為+ 5%）；將VI乘上校準(zhǔn)系數(shù)可得校準(zhǔn)后體積值：

用VI= 1.05 VS代入，可得水表最終顯示的實(shí)際體積值為VI′ = VS，此時(shí)Q 在q2流量點(diǎn)下水表的示值誤差為零（ε= 0）；校準(zhǔn)擬合直線下的其他流量點(diǎn)校準(zhǔn)方法與此相同。校準(zhǔn)后水表的誤差特性曲線（Q1= Q2）（見(jiàn)圖 4）。

4 結(jié)語(yǔ)

采用水表測(cè)量特性的計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)方法可以用較少的成本提升傳統(tǒng)水表的測(cè)量準(zhǔn)確度，擴(kuò)展流量測(cè)量范圍，但前提是機(jī)械式水表的測(cè)量重復(fù)性和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性必須良好。當(dāng)前水表設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)能保證機(jī)械式水表達(dá)到較高的可靠性和成批性能的一致性，嵌入式計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)也普遍應(yīng)用且成熟度高，因此選擇好的校準(zhǔn)方法和技術(shù)至關(guān)重要。

經(jīng)特性校準(zhǔn)的大口徑垂直螺翼式水表，其測(cè)量范圍（Q3/ Q1）在大于等于800 條件下，其誤差特性曲線總體比較平直，各流量點(diǎn)的示值誤差均能保持在靠近零誤差附近的狀態(tài)，使水表能在較小的最大允許誤差區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定地工作。

[1]姚靈. 電子水表傳感與信號(hào)處理技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

[2][美]R. W. 米勒編著，孫延柞譯. 流量測(cè)量工程手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3]全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第一分技術(shù)委員會(huì).GB/T 778.1—2007[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4]全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第一分技術(shù)委員會(huì).GB/T 22133—2008[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5]全國(guó)法制計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1094—2002[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.