陳世硯　劉辰魁　趙　寧　牛立娜

(河北省計量監(jiān)督檢測院，石家莊 050051)

0　引言

天然氣作為清潔能源在大中城市及縣級城鎮(zhèn)得到了廣泛使用，一個中小縣城的商業(yè)燃氣用戶有上百戶，這些商業(yè)用戶使用的燃氣表或氣體流量計有以下特點：一是流量范圍在1～200m3/h以內(nèi)；二是準確度等級在1.5級及其以下；三是單氣路設計，沒有備用表。商業(yè)燃氣表或流量計用于貿(mào)易結(jié)算，按照國家《計量法》應進行周期檢定，為解決城鎮(zhèn)商業(yè)燃氣用戶使用的燃氣表或流量計的周期檢定，研制了便攜式氣體流量標準裝置，到各縣級城鎮(zhèn)進行氣體流量周期檢定、校準服務。

該裝置研制的依據(jù)和要求：JJG 577—2012《膜式燃氣表》[1]中7.3.4.3規(guī)定。由于將裝置運輸?shù)疆數(shù)剡M行檢定，要求裝置具備體積小、重量輕、易拆解組合、便于車載和計數(shù)準確等特點，本裝置以空氣為介質(zhì)，具備正壓、負壓兩種檢測方法。

1　設計原理、工作流程及裝置結(jié)構(gòu)

1.1　設計原理[2]

利用3臺標準表并聯(lián)，實現(xiàn)最大流量檢定點的要求；利用1臺腰輪流量計[3]實現(xiàn)最小流量檢定點的要求；使用各標準表的最佳測量范圍，提高裝置的線性度；加大標準表的脈沖輸出頻率，提高標準裝置的測量重復性；采用脈沖插入法原理，提高計數(shù)的準確性；適時進行溫度、壓力補償，提高裝置的環(huán)境適應能力；使用計算機程序控制，提高檢測的自動化程度。裝置結(jié)構(gòu)設計原理如圖1所示。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)設計原理圖

1.2　工作流程

通過溫度、壓力傳感器分別采集標準流量計、被檢流量計及工作環(huán)境的溫度、壓力信號；流量傳感器采集標準流量計和被檢流量計處的流量信號；信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集后送入計算機進行處理，進而在人機界面顯示裝置的實時工作狀態(tài)及參數(shù)，并對檢測結(jié)果進行處理。工作流程如圖2所示。

圖2　工作流程圖

1.3　裝置結(jié)構(gòu)設計

本裝置由測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和氣源三大部分組成。

測量系統(tǒng)是裝置的核心部分，主要由測量裝置和輔助設備構(gòu)成。測量裝置由2臺渦輪流量傳感器[4]和1臺腰輪流量傳感器并聯(lián)組成，以滿足常用流量檢測的技術要求；輔助設備主要由球形閥、連接管路、整流裝置、閥門及管件等組成。

整流裝置由整流筒，進、出氣口，并聯(lián)管路接口組成。其根據(jù)3臺標準流量計壓力損失的不同，合理地分布并聯(lián)管路與進、出氣口的位置，在檢測最大流量的情況下使氣流平均地在3條管路間分配。

閥門組由3個與測量管路的直徑相同的球閥組成，安裝在測量管路的下游端，2臺標準渦輪流量計后端的閥門，采用全開全閉的方法使用，此閥門可作為下游直管段的一部分，節(jié)約了管路長度，減小了裝置重量。

氣源可轉(zhuǎn)換氣體流動方向，在測量系統(tǒng)兩端實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，正壓檢測時連接在測量系統(tǒng)的進氣口，負壓檢測時，連接在測量系統(tǒng)的出氣口。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)計算模塊、電源、計算機、數(shù)據(jù)處理程序、檢測控制程序、輸入和輸出程序等組成。

2　軟件系統(tǒng)設計及程序流程圖

自動檢定軟件主要由信息錄入系統(tǒng)、檢定系統(tǒng)、原始記錄打印系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫四部分組成。其中檢定系統(tǒng)為本軟件的核心，由手動檢定系統(tǒng)、自動檢定系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和檢定中斷系統(tǒng)四部分組成。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

打開系統(tǒng)后錄入被檢信息，設置檢測方式、參數(shù)等，選擇自動檢定方式，裝置開始自動調(diào)節(jié)流量、采集流量、壓力、溫度、大氣壓力、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，到達設定目標后，自動進行數(shù)據(jù)處理，生成原始記錄，自動保存并將結(jié)果顯示在屏幕和輸出到打印機。

選擇手動檢定方式，手動調(diào)節(jié)流量，手動選擇開始、結(jié)束檢定時機，手動輸入壓力、溫度、大氣壓力、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，自動讀取流量數(shù)據(jù)，手動停止檢定后，自動進行數(shù)據(jù)處理，生成原始記錄，自動保存并將結(jié)果顯示在屏幕和輸出到打印機。具體的檢定流程圖見圖4。

圖4　檢測程序流程圖

3　主要技術措施

3.1　標準器組

1)采用3臺標準表并聯(lián)：即1臺JLQ-65A腰輪流量計和2臺LWQ-A-100渦輪流量計作為計量檢定和校準的標準，組合測量時總流量上限達260m3/h，可以覆蓋一般商業(yè)用戶和工業(yè)用戶計量儀表的流量范圍。

2)采用兩臺DN50渦輪流量計，實現(xiàn)對流量范圍10～220m3/h速度式流量計的檢定；采用一臺DN50腰輪流量計，實現(xiàn)對流量范圍3.2～65m3/h容積式流量計或燃氣表的檢定；3臺標準流量計并聯(lián)實現(xiàn)對流量上限小于260m3/h流量計的檢定。該裝置適用于1.5級及其以下流量計的周期檢定和使用中檢驗。

3)利用現(xiàn)代電子技術和計算機技術在流量積算時對流量系數(shù)進行修正，使標準裝置在測量范圍內(nèi)，線性度接近直線，保證了裝置的準確度。采用脈沖插入法對脈沖計數(shù)進行準確計算，使用計算機技術對檢測數(shù)據(jù)進行自動采集與處理，按規(guī)程打印檢定或校準原始記錄及證書報告。

4)腰輪流量計量程比寬，適合測量容積式流量計和小流量測量；渦輪流量計氣體流態(tài)穩(wěn)定，適合測量速度式流量計，提高測量準確度。兩種測量原理的標準表結(jié)合使該裝置具有較強的適應力。

5)為了提升標準流量計的測量重復性，在腰輪標準流量計的輸出軸上安裝了光電編碼器，在渦輪標準流量計的旋轉(zhuǎn)軸上增加了磁鋼數(shù)量，提高了標準流量計輸出脈沖的頻率，使測量重復性大大提高，保證每一臺標準流量計使用流量點的測量不確定度在0.5%以內(nèi)。

6)大大減小了整個測量系統(tǒng)的體積，降低整套裝置的重量，提升了整套系統(tǒng)的可移動性，易于實現(xiàn)車載，真正做到把測量技術送到用戶門口。

3.2　補償系統(tǒng)

1)壓力的測量。大氣壓力測量選用0.1級羅斯蒙特3051C絕壓傳感器和變送器，其測量范圍為50～106kPa。每臺標準流量計的壓力測量均選用0.1級羅斯蒙特3051型差壓傳感器和變送器，其測量范圍為-15～15kPa。

2)溫度的測量。采用不銹鋼外殼的A級Pt100和0.2級溫度變送器。熱電阻以10℃為間隔逐點標定阻值，以修正熱電阻誤差。標準表上的熱電阻，其插入位置均為管路中心處，保證每支溫度傳感器的測溫可靠性。通過以上措施確保溫度測量不確定度控制在0.2%。

3.3　管路設計

為了減小風機轉(zhuǎn)動引起脈動流和降低流場的擾動，采取了以下措施：1)通過延長軟管增加了風機與標準表系統(tǒng)之間的距離；2)在標準表與風機之間增加了一個為10L的整流裝置；3)在渦輪流量計進氣口處安裝了50cm長的直管段。

為了降低整個裝置的重量，選用重量相對較輕，體積相對較小的球形閥，依據(jù)檢測流量范圍的不同，人工選擇打開或關閉某條管路。設計了標準表管路匯集罐，實現(xiàn)了多表組合測量。

3.4　氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)給裝置提供檢測空氣，根據(jù)檢測需要有兩種方式控制氣體流量大?。阂皇峭ㄟ^人機交互界面人工控制變頻器；二是通過程序自動控制變頻器，達到控制風機電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)不同流速的目的。通過測試驗證檢測流量大于10m3/h時，調(diào)節(jié)流量與預設流量偏差在5%以內(nèi)，符合設計要求。

3.5　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制模塊、計數(shù)模塊、晶振電路、電源、變送器、控制軟件等組成，根據(jù)檢測對象的不同，在計算機程序的控制下進行檢測工作。分兩種檢測方法：一種是自動檢測方法，對有輸出脈沖信號的被檢表，或能夠?qū)⑿盘栟D(zhuǎn)換成脈沖，如顏色差別，采用自動檢測方法，由脈沖信號控制檢測開始與結(jié)束；另一種是手動檢測方法，對沒有脈沖輸出，或無法將顯示內(nèi)容轉(zhuǎn)換成脈沖輸出的被檢表，采用手動檢測方法，通過人眼目視被檢表顯示數(shù)據(jù)，手動控制觸發(fā)按鈕，適時選擇開始與結(jié)束。每種檢測方法均有膜式燃氣表、容積式流量計、速度式流量計3種被檢表選擇項，檢測程序根據(jù)不同的被檢表工作原理，選擇不同的檢測步驟，提示檢定員做些輔助操作，程序自動記錄所需檢測數(shù)據(jù)項，與之相應的檢定規(guī)程匹配，檢測完成后自動生成符合該檢定規(guī)程的原始記錄。

4　結(jié)束語

該裝置通過音速噴嘴氣體流量標準裝置檢定[5]，整個裝置的擴展不確定度為0.532%(k=2)[6]。便攜式氣體流量標準裝置研制成功，為我省縣級城鎮(zhèn)商業(yè)燃氣用戶使用的燃氣表和氣體流量計周期檢定提供了技術保障，減少了燃氣用戶進行燃氣表周期檢定成本，為省政府提出的“氣化河北”、“縣縣通”目標和改善“京津冀”空氣質(zhì)量做出了貢獻。

[1]JJG 577—2012膜式燃氣表檢定.北京：中國計量出版社，2012

[2]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試.北京：中國計量出版社，2007：371-387

[3]JJG 633—2005氣體容積式流量計檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2005

[4]JJG 1037—2008渦輪流量計檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2008

[5]JJG 643—2003標準表法流量標準裝置檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2003

[6]李金海.誤差理論與測量不確定度評定.北京：中國計量出版社，2003 ：120-236