唐勇軍

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

0 引言

智能流量積算儀是流量測量領(lǐng)域近幾年快速發(fā)展的一種新型的流量儀表，尤其是近幾年來，微電子及通信技術(shù)相繼運(yùn)用，也使得流量積算儀引發(fā)了一次技術(shù)上的飛躍，其功能和可靠性得到了豐富和提高。它可適用于各種液體、蒸汽、天然氣(氣態(tài)方程)、一般氣體等的測量。已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油、化工、能源管理等行業(yè)的流量積算控制。

1 問題的提出

由于目前智能流量積算儀的種類繁多，每個(gè)類型的智能流量積算儀的功能和使用方法各不相同，導(dǎo)致在檢定過程中都不能以一種類型流量積算的操作方法來開展其他類型的檢定，從而導(dǎo)致檢定的復(fù)雜和困難。以前國家和行業(yè)一直沒出臺相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到2005年國家才出臺JJG1003-2005《流量積算儀檢定規(guī)程》，但由于被檢表的種類太多，國家規(guī)程也只能從整體宏觀面介紹，做不到對每一類型的積算儀詳細(xì)介紹檢定過程。若僅以規(guī)程為依據(jù)，而對儀表的性能和操作方法不了解，則無法開展檢定工作，尤其是對新手而言，常常感到無從下手。此外，規(guī)程的編制者因所從事工作的局限性，規(guī)程中一些地方還存在一定的不足，與實(shí)際工作存在出入?，F(xiàn)主要以輸入信號為脈沖信號的SWP 系列智能流量積算儀為例，對智能流量積算儀的校準(zhǔn)/檢定技術(shù)進(jìn)行探討。

2 校準(zhǔn)/檢定技術(shù)探討

2.1 檢定點(diǎn)的選取

按國家規(guī)程的要求，檢定點(diǎn)取流量傳感器(或變送器)最大流量對應(yīng)的輸入信號的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近。該檢定點(diǎn)的選取適用于量程比為1 ∶5 或更小的流量傳感器，如孔板流量計(jì)，但隨著流量傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些流量傳感器的量程比往往都大于1 ∶5，如渦輪流量計(jì)，通常為1 ∶6.7 或1 ∶10，甚至更大。若以1 ∶5 檢定，對于1 ∶10 的傳感器而言，在量程的20%以下沒有計(jì)量，存在不確定性，可能會出現(xiàn)按1∶5 的量程比檢定合格，按1∶10 檢定可能出現(xiàn)超差，而實(shí)際使用又是按1 ∶10 使用的情況?，F(xiàn)以一臺SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為4 ～40 m3/h，其檢定數(shù)據(jù)見表1。

表1 檢定數(shù)據(jù)

若按流量傳感器(或變送器)最大流量對應(yīng)的輸入信號的0.2 倍、0.4 倍、0.6 倍、0.8 倍、1 倍量限附近進(jìn)行檢定，其最大誤差為-0.24%，其結(jié)果符合國家規(guī)程最低誤差極限± 1.0% 的技術(shù)要求，但在4 m3/h點(diǎn)則超出國家規(guī)程最低誤差極限要求。

因此在實(shí)際的檢定過程中，其流量點(diǎn)的選取應(yīng)增加流量傳感器(或變送器)最小流量對應(yīng)的輸入信號的檢定點(diǎn)。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的選用

國家規(guī)程規(guī)定對于輸入信號為脈沖信號的，其標(biāo)準(zhǔn)的主要設(shè)備為通用計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)范圍:0 ～99999;分辨力:1 個(gè)字)，附屬設(shè)備為頻率信號發(fā)生器，最大允許誤差:1×10-5。該要求主要針對0.05 級的表，但在實(shí)際的工作中大多數(shù)流量積算儀的準(zhǔn)確度等級為0.5 級，假如選用我們常用的33120A 函數(shù)信號發(fā)生器(最大允許誤差為±2×10-5)也能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足量傳的要求，可不必選取最大允許誤差為1×10-5頻率信號發(fā)生器。此外，規(guī)程要求主要設(shè)備為通用計(jì)數(shù)器，附屬設(shè)備為頻率信號發(fā)生器，而通常使用的33120A 函數(shù)信號發(fā)生器，其輸出的頻率穩(wěn)定和準(zhǔn)確度較高，單獨(dú)使用即可滿足要求，可不必選用兩臺標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)脈沖小數(shù)點(diǎn)后非零數(shù)字位的選取

國家規(guī)程對于輸入信號為脈沖信號的積算儀，在檢定過程中其標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號的小數(shù)點(diǎn)后非零數(shù)字位的選取未作明確規(guī)定。對于傳感器為小口徑(如:φ6 的渦輪)而言，其輸出頻率最高可達(dá)幾千赫茲，輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率是否帶小數(shù)，對其計(jì)量結(jié)果影響不是很大。而對于較大口徑的傳感器(如:φ80 的渦輪)而言，低流量時(shí)輸出頻率通常為幾十赫茲，輸入頻率信號是否帶小數(shù)對檢定結(jié)果則會出現(xiàn)較大影響。如SWP-LK80的流量積算儀，其采樣頻率的分辨率為1Hz，導(dǎo)致的結(jié)果為:當(dāng)輸入為整數(shù)頻率時(shí)，其顯示數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，若讀取較穩(wěn)定數(shù)據(jù)，其檢定結(jié)果基本能滿足國家規(guī)程的要求;但輸入帶小數(shù)頻率，尤其小數(shù)在0.5 左右時(shí)，其顯示會在兩個(gè)數(shù)據(jù)之間來回跳動(dòng)(跳動(dòng)數(shù)據(jù)之差為1Hz 所對應(yīng)的流量值)。對于φ80 的渦輪而言，在低流量時(shí)，跳動(dòng)的兩數(shù)據(jù)中無論讀取哪個(gè)數(shù)，其檢定結(jié)果都會超出國家規(guī)程規(guī)定誤差極限(±1.0%)的現(xiàn)象?，F(xiàn)以一臺SWP-LK80 為例，傳感器的流量范圍為10 ～100 m3/h，檢定結(jié)果見表2 和表3。

表2 較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)果

表3 跳動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)果

從表1 可以看出在顯示數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的情況下，輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率是否帶小數(shù)對計(jì)量結(jié)果的影響也非常大，表2 更能體現(xiàn)小數(shù)對使用的影響，因此我們在檢定過程中最好是帶小數(shù)頻率進(jìn)行檢定，這樣可以更好地判定該流量積算儀性能是否穩(wěn)定，是否能滿足實(shí)際使用的工藝要求，從而幫助用戶選擇更好的流量積算儀。

若出現(xiàn)表1 在31.2 Hz 檢定點(diǎn)和表2 的情況，說明該積算儀不適合大口徑的流量傳感器，解決的最好辦法是更換頻率采樣分辨力為0.1Hz 或更小的流量積算儀。對于SWP-LK80 系列而言，通常其頻率采樣的分辨率為1Hz。我們在購置時(shí)需要單獨(dú)提出其頻率采樣的分辨力為0.1Hz，因從外觀、型號、規(guī)格等是無法區(qū)分的。但此種流量積算儀有一缺點(diǎn)就是不帶通訊功能，若需兩者兼?zhèn)洌瑒t可考慮其他品牌的流量積算儀。

2.4 系數(shù)的確定

儀表系數(shù)的確定對于使用者來說是非常重要，每臺流量傳感器的儀表系數(shù)都是唯一確定的，也就是說每臺流量積算儀和配套的傳感器是一一對應(yīng)的關(guān)系，若系數(shù)設(shè)定不正確會造成很大的測量誤差。

式中:qm為質(zhì)量流量;F 為標(biāo)準(zhǔn)頻率;K 為儀表系數(shù);ρ20為20 ℃時(shí)液體密度;λ 為體積溫度系數(shù)，1/℃;t為溫度。

由以上公式可以看出儀表系數(shù)K 對流量的大小有決定性的作用，如果系數(shù)設(shè)置不正確，則儀表顯示的流量與實(shí)際工況的流量會出現(xiàn)很大的差異，從而會產(chǎn)生較大的測量誤差。不同類型的儀表其系數(shù)K 的設(shè)定不同，因而必須熟悉其操作方法方可開展檢定，如XSJ-39 其內(nèi)部的系數(shù)為K 的倒數(shù)，SWP-LK80 系列為K;又如XSJ 型，其系數(shù)必須根據(jù)積算儀內(nèi)部參數(shù)最大流量的小數(shù)點(diǎn)來確定其值的大小，例:流量為150.0 L/min，系數(shù)為77.83。最大流量的小數(shù)位為1 位小數(shù)，表明系數(shù)77.83 為0.1L 所代表的脈沖數(shù)。

一般情況下一臺積算儀通常只設(shè)置一個(gè)儀表系數(shù)，在檢定時(shí)即可按該系數(shù)開展檢定工作，但對于一些帶補(bǔ)償修正的其儀表系數(shù)可能是變動(dòng)的，必須根據(jù)不同類型的儀表來確定，以SWP-LK80 系列，補(bǔ)償為線性補(bǔ)償，其K 值的確定方法如圖1。

圖1 中CAH 和CAL 分別為傳感器測量的量程上限和下限，脈沖輸出以Hz 為單位，從圖1 可以看出:

圖1 標(biāo)準(zhǔn)頻率與系數(shù)關(guān)系

1)當(dāng)頻率小于或等于CAL 時(shí)，系數(shù)選用K1;

2)當(dāng)頻率等于1/3(CAL ～CAH)量程時(shí)，系數(shù)用K2;

3)當(dāng)頻率等于2/3(CAL ～CAH)量程時(shí)，系數(shù)用K3;

4)當(dāng)頻率大于或等于CAH 時(shí)，系數(shù)選用K4;

5)當(dāng)頻率在CAL 和1/3(CAL ～CAH)之間時(shí)，由圖可以看出其曲線分程是一元一次方程y=ax +b，因CAL，1/3(CAL ～CAH)，K1，K2 是已知項(xiàng)，由方程y=ax +b 可以求解出a 和b，在輸入頻率x 是已知的情況下，則可通過y=ax +b 求出y 即儀表系數(shù)K，即檢定點(diǎn)的K 系數(shù);

6)當(dāng)頻率在1/3(CAL ～CAH)和2/3(CAL ～CAH)之間時(shí)，其方法同5)。

以上功能也可用來實(shí)現(xiàn)頻率輸入的小信號切除功能，如:某一渦輪流量計(jì)，假定系數(shù)為40.567L-1，，要求當(dāng)輸入頻率小于50 Hz 時(shí)，停止累積，即將流量信號小于50 Hz 時(shí)切除掉。方法如下:

設(shè)定K1=0;K2=0;K3=K4=40.567;CAL=49;CAH=52。注意SLP-LK80 系列，當(dāng)輸入頻率信號時(shí)，無CAL 和CAH 設(shè)置，應(yīng)先打開CAL 和CAH，設(shè)置完后再關(guān)閉，見圖2 曲線。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)頻率與系數(shù)關(guān)系

由圖2 可看出當(dāng)頻率小于50 Hz 時(shí)，積算儀瞬時(shí)流量顯示為零，累積流量不再累積。

2.5 顯示單位的選擇

流量積算的單位選擇也很重要，如果單位選擇不正確，對校準(zhǔn)結(jié)果的影響也非常大。因大部分積算的小數(shù)點(diǎn)設(shè)置最多只能到3 位小數(shù)，若以m3/h 為瞬時(shí)流量的單位，對于小口徑的傳感器而言，會導(dǎo)致儀器分辨力引入的不確定度非常大，如:基本誤差限為±1.0%的φ 4 的渦輪，流量范圍為0.04 ～0.25 m3/h，設(shè)定小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為3 位，在低流量時(shí)其分辨力引入的不確定度可達(dá)0.7%，因而必須正確選擇顯示單位。不同類型的積算其單位選取方法各不相同，必須根據(jù)實(shí)際情況而定，如:SWP-LK80 系列顯示單位固定為m3，對于有的傳感器不適用于以m3為顯示單位，則會造成顯示的困難。解決的辦法需將K 進(jìn)行變換，如:需顯示L/h，必須將K(L-1)值除上1000 后方可顯示L/h。再如:XSJ-39A，需根據(jù)儀表系數(shù)大小通過說明書中的分檔常數(shù)表(見表4)來確定其顯示單位，它不像有的儀表可以直接選取。

表4 分檔常數(shù)表

2.6 變送輸出校準(zhǔn)

變送輸出誤差Eo計(jì)算可按下列公式計(jì)算:

式中:Ⅰo為輸出電流;Ⅰth為流量理論計(jì)算對應(yīng)的電流值;Ⅰmax為最大流量理論計(jì)算對應(yīng)的電流值;Ⅰ0為流量零點(diǎn)對應(yīng)的電流值;Ⅰth可按下列公式計(jì)算:

式中:q 為檢定點(diǎn)的流量值;qmax為最大流量值。

由于輸出電流相對于頻率信號而言，其穩(wěn)定性不及頻率，在檢定過程中往往瞬時(shí)流量等檢定合格，但輸出電流則會出現(xiàn)超差現(xiàn)象，其解決的辦法通常有以下兩種:

1)調(diào)節(jié)電路板上的零點(diǎn)電位器和滿度電位器，通?？蓪?shí)現(xiàn)。以輸出4 ～20 mA 為例:滿度的調(diào)整，當(dāng)輸入信號為滿量程時(shí)，調(diào)節(jié)滿度電位器，使其輸出為20mA;零位的調(diào)整，當(dāng)不輸入信號時(shí)，調(diào)節(jié)零點(diǎn)電位器使其輸出為4 mA。

2)可編程調(diào)節(jié)，以輸出4 ～20 mA 的SWP-LK80系列為例，可修改儀表內(nèi)部的二次參數(shù)PB4 和KK4。滿度的調(diào)整，當(dāng)輸入信號為滿量程時(shí)，讀取儀表的顯示值，將顯示值與理論值相除，其值為KK4;零位的調(diào)整，當(dāng)不輸入信號時(shí)，觀察儀表的輸出值，PB4 為4減去輸出值。

2.7 累積流量的檢定

按國家規(guī)程規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)的要求，信號發(fā)生器的允許誤差限為:1×10-5，計(jì)時(shí)器的分辨力優(yōu)于0.01 s，而在實(shí)際的工作中若標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到規(guī)程的要求，但量傳又能滿足的情況下如何開展檢定呢? 如:采用33120A的信號發(fā)生器，計(jì)時(shí)器的分辨力為0.01 s。其解決的辦法為提高檢定時(shí)間，通過延長時(shí)間來彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)的問題，國家規(guī)程要求10 min，我們就將檢定時(shí)間延長為20 min 或更長，通常情況檢定分辨力引入的不確定度優(yōu)于最大允許誤差的1/5 就能滿足要求，當(dāng)然檢定時(shí)間越長越好。

2.8 帶溫度和壓力補(bǔ)償?shù)臋z定

溫度和壓力補(bǔ)償型的檢定，其難點(diǎn)主要是確定檢定點(diǎn)的介質(zhì)密度。而密度的確定關(guān)鍵是確定壓縮系數(shù)Z，Z 值可依據(jù)雷德利克- 孔方程(簡稱R-K 公式)求得。但在實(shí)際工作中，在已知溫度、壓力、流量參數(shù)的情況下也會出現(xiàn)檢定困難。我們曾經(jīng)遇見過這樣的情況，有一用戶送來一只新SLP-LK80 的流量積算儀(內(nèi)部參數(shù)為出廠設(shè)定)，并帶來傳感器相關(guān)的信息，委托我們設(shè)置并計(jì)量。要求我們不考慮溫度，只帶壓力補(bǔ)償?shù)那闆r下開展檢定。通常的解決辦法按公式

3 結(jié)束語

隨著流量測試技術(shù)的不斷發(fā)展和各種新型流量積算儀和流量傳感器的廣泛應(yīng)用，流量測量向高精度、智能化方向發(fā)展。這就對我們的檢定工作提出了新的要求，而且大部分流量積算儀在檢定時(shí)都會遇到以上的問題。作為檢定工作者，不僅應(yīng)清楚不同類型的流量積算儀和流量傳感器的操作方法、工作原理，更應(yīng)熟知詳細(xì)的檢定過程。只有這樣才能從本質(zhì)上分析問題，更加快捷處理檢定工作中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步提高我們的計(jì)量水平。本文是依據(jù)多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，可為今后處理類似的問題提供參考。

［1］蘇彥勛.流量計(jì)量與測試［M］.北京:中國計(jì)量出版社，1992.

［2］王池.流量測量不確定度分析［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2002.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1003-2005 流量積算儀檢定規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2005.