陳桂林，程 佳，黃震威，周金龍，沈文新

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州310018;2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州310018;3.浙江省知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究與服務(wù)中心，浙江 杭州310006)

0 引 言

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)量校準(zhǔn)更快捷和低成本，因此得到了快速的發(fā)展。目前，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)主要在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家開(kāi)展得比較普遍，尤其是日本，由于其很多跨國(guó)公司的生產(chǎn)車(chē)間都設(shè)立在第三國(guó)，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間計(jì)量檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)迫使其大力發(fā)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)［1］。在能源計(jì)量器具遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方面美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)展了氣體流量計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)，德國(guó)聯(lián)邦技術(shù)物理研究院(PTB)進(jìn)行了高壓天然氣流量基準(zhǔn)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，日本國(guó)家計(jì)量院(NMIJ)開(kāi)展的項(xiàng)目很多，其中也包括流量計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)［2～4］。

2005 年，日本首次在海外與橫河電機(jī)(蘇州)有限公司對(duì)記錄儀、流量計(jì)時(shí)間頻率進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始了遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用［5］。同時(shí)，羅馬尼亞科學(xué)家Mihaela M博士提出了使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合數(shù)據(jù)的安全性和完整性檢查，建立遠(yuǎn)程校準(zhǔn)代理系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示該方法具有實(shí)際應(yīng)用有效性［6］。在2008 年的國(guó)際計(jì)量技術(shù)研討會(huì)上，關(guān)于電能表的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)提上了議程［7］，各國(guó)都在開(kāi)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的研究。

我國(guó)開(kāi)展了電能計(jì)量在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的研究，研發(fā)了基于GPS 同步時(shí)鐘的電能計(jì)量時(shí)鐘基頻測(cè)試與校準(zhǔn)裝置，在基于等效阻抗測(cè)量的電壓/電流互感器低校高校驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出了電壓/電流互感器(TV/TA)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法［8］。在天然氣計(jì)量上開(kāi)展了基于聲速比較的超聲流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)的研究，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線檢測(cè)［9］，但對(duì)于其他天然氣流量計(jì)如羅茨流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)研究較少。

本文提出并設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)法的氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，研制了數(shù)據(jù)采集終端，開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)，最后搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 原理與計(jì)算模型

1.1 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理

本文采用標(biāo)準(zhǔn)表法設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，其原理如圖1所示。首先溯源標(biāo)準(zhǔn)表，可靠的量值溯源鏈?zhǔn)沁h(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用了被檢表(現(xiàn)場(chǎng))—標(biāo)準(zhǔn)傳遞表—標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值溯源鏈;當(dāng)需要校準(zhǔn)流量計(jì)時(shí)，再將其轉(zhuǎn)移到校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn);獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回到軟件平臺(tái)(校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室)，平臺(tái)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到校準(zhǔn)結(jié)果;最后再將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)返到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

圖1 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理圖Fig 1 Principle diagram of remote calibration

1.2 計(jì)算模型

目前使用的大、中流量氣體流量?jī)x表主要有羅茨流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)等，校準(zhǔn)內(nèi)容的主要有示值誤差、儀表系數(shù)、重復(fù)性等參數(shù)。

1.2.1 示值誤差

單次測(cè)量的示值誤差E 為

式中 Qm為被檢流量計(jì)的累積流量值，m3;Qs為與Qm在同溫同壓下的標(biāo)準(zhǔn)器累積流量值，m3。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表的氣體狀態(tài)和被檢表的氣體狀態(tài)不一致時(shí)，Qs應(yīng)按下式計(jì)算

式中 Q 為標(biāo)準(zhǔn)器累積流量示值，m3;pn為大氣壓力，Pa;ts，tm分別為被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表處的氣體溫度，K;ps，pm分別為標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)處的氣體表壓力，Pa;φs，φm分別為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)和被檢流量計(jì)處的氣體相對(duì)濕度;pHsmax，pHmmax分別為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)和被檢流量計(jì)處的飽和水蒸汽壓力，Pa;Zs，Zm分別為標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)處的氣體壓縮系數(shù)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢流量計(jì)間的壓力差小于一個(gè)大氣壓時(shí)，可視Zs=

1.2.2 儀表系數(shù)

每個(gè)流量校準(zhǔn)點(diǎn)單次測(cè)量的流量計(jì)儀表系數(shù)K 為

式中 Kij為第i 流量點(diǎn)、第j 次檢定系數(shù)，1/m3。Nij為第i 個(gè)流量點(diǎn)、第j 次脈沖數(shù)。Qsij為第i 個(gè)流量點(diǎn)、第j 次檢定的Qs值。

檢定流量點(diǎn)的平均儀表系數(shù)Ki為

式中 Ki為流量點(diǎn)的平均系數(shù)，n 為測(cè)量次數(shù)。流量計(jì)的平均儀表系數(shù)為

1.2.3 重復(fù)性

每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的重復(fù)性計(jì)算公式為

式中 (ER)i為第i 個(gè)點(diǎn)的重復(fù)性;Kij為第i 流量點(diǎn)、第j 次檢定系數(shù);Ki為流量點(diǎn)的平均系數(shù);n 為測(cè)量次數(shù)，或者

式中 (ER)i為第i 個(gè)點(diǎn)的重復(fù)性;Kimax中檢定點(diǎn)中的最大一個(gè)系數(shù);Kimin檢定點(diǎn)中的最小一個(gè)系數(shù)，dn為極差系數(shù)，流量計(jì)的重復(fù)性為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集終端和標(biāo)準(zhǔn)表等。圖2 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集終端、標(biāo)準(zhǔn)表、閥門(mén)、濕度計(jì)、溫度和壓力傳感器等。其中，計(jì)算機(jī)在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，其余設(shè)備安裝在校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)。

壓力傳感器有絕對(duì)壓力和差壓傳感器，外輸4 ～20 mA電流信號(hào)，絕對(duì)壓力傳感器作參比壓力之用，差壓傳感器分別用于測(cè)量被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表入口壓力。溫度傳感器輸出4 ～20 mA 電流信號(hào)，其測(cè)量環(huán)境溫度以及被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的入口溫度。濕度計(jì)用于測(cè)量空氣濕度。

信息采集器主頻較高，計(jì)時(shí)模塊使用信息采集器內(nèi)部定時(shí)器，其計(jì)數(shù)時(shí)鐘使用主頻時(shí)鐘，計(jì)時(shí)精度高?；静捎秒p計(jì)時(shí)法檢定原理［10］對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使校準(zhǔn)保持“同步”。

2.2 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)采用LabVIEW 軟件作為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它擁有大量的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等［10］。平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收基站傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理分析，生成證書(shū)并存儲(chǔ)，其流程圖如圖3。

圖2 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of remote calibration system

圖3 軟件平臺(tái)程序流程圖Fig 3 Program flow charts of software platform

軟件平臺(tái)主要有三個(gè)子程序模塊:其一為數(shù)據(jù)處理模塊，用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和存儲(chǔ)并顯示校準(zhǔn)結(jié)果，生成證書(shū)等;其二是為通信服務(wù)的通信模塊，主要用來(lái)建立通信連接和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;其三為數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，主要用來(lái)管理校準(zhǔn)信息和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出被檢表的示值誤差、儀表系數(shù)和重復(fù)性等參數(shù)，然后生成校準(zhǔn)證書(shū)。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端包括信息采集器和基站兩部分。信息采集器采用ARMCortex－M3 內(nèi)核芯片STM32F103 作為核心，它擁有8 路10 位4 ～20 mA 電流信號(hào)采集模塊、2 路脈沖信號(hào)采集模塊和射頻通信模塊等。程序流程圖如圖4，首先初始化，并與基站建立通信連接，等待指令。

基站以S3C6410 芯片作為核心處理器，采用基于Linux的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)QT/E 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，QT/E 提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者大部分的功能來(lái)完成建立合適、高效的圖形界面程序［11］，基站實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置并與信息采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，基站可以匹配多個(gè)信息采集器，組成無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)?；九c平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕x擇TCP 傳輸協(xié)議。程序流程圖如圖5，程序運(yùn)行時(shí)，首先初始化并與平臺(tái)和信息采集器建立通信連接，然后等待用戶操作。當(dāng)用戶設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊“開(kāi)始校準(zhǔn)”后，基站自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的接收和上傳。

圖4 信息采集器程序流程圖Fig 4 Program flow chart of information collector

圖5 基站程序流程圖Fig 5 Program flow chart of base station

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)如圖6 所示，由氣泵、流量計(jì)、管道、傳感器和閥門(mén)等組成。目前天然氣行業(yè)大多使用氣體超聲流量計(jì)、氣體羅茨流量計(jì)和氣體渦輪流量計(jì)等作為計(jì)量器具，該裝置中即以這三種流量計(jì)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)閥門(mén)開(kāi)閉的控制實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的串聯(lián)或并聯(lián)連接形式。流量大小由閥門(mén)的開(kāi)度控制。標(biāo)準(zhǔn)表選用渦輪流量計(jì)，其精度為±0.50%，流量范圍為6 ～100 m3/h，輸出信號(hào)為4 ～20 mA和脈沖信號(hào)。被校表為羅茨流量計(jì)，其精度為±1.0%，流量范圍為0.5 ～65 m3/h，輸出脈沖信號(hào)和4 ～20 mA 電流信號(hào)。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig 6 Photo of experimental device

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:1)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表。2)將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)送到客戶端現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程傳遞。3)安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。4)校準(zhǔn)完成后將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)回校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。圖7 為遠(yuǎn)程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)示范圖。

圖7 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)示范示意圖Fig 7 Demonstration diagram of remote calibration experiment

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取60，35，14 m3/h 三個(gè)流量點(diǎn)開(kāi)展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集終端同步采集標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表和傳感器的脈沖信號(hào)和電流信號(hào)，計(jì)算出流量、溫度、壓力和濕度等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳送到遠(yuǎn)傳校準(zhǔn)軟件平臺(tái)，平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，并自動(dòng)分析出校準(zhǔn)結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)分析

測(cè)量結(jié)果的不確定度主要有兩部分組成:校準(zhǔn)裝置的B 類(lèi)不確定度和測(cè)量數(shù)據(jù)的A 類(lèi)不確定度。

1)校準(zhǔn)裝置不確定度

主要來(lái)源是標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的不確定度和溫度、壓力、濕度和時(shí)鐘等引起的不確定度。

渦輪流量計(jì)經(jīng)校準(zhǔn)的等級(jí)為0.5 級(jí)，視作U(E1)=0.5%，k=2，即ur(E1)=0.25%。

時(shí)鐘晶振為8 Mz，其精度為±50 μs，保守估計(jì)時(shí)間不確定度為ur(t)=0.01%;由于實(shí)驗(yàn)中脈沖采集時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，其時(shí)間不同步引起的誤差可忽略不記。

壓力變送器的精度為0.075%，按均勻分布計(jì)算得到

標(biāo)準(zhǔn)表處與被檢表壓力的合成不確定度為

溫度變送器的精度為±0.1 ℃，按均勻分布得到

則標(biāo)準(zhǔn)表處的溫度不確定度為ur(Ts)=u4=0.02%，被測(cè)表處的溫度不確定度為ur(T)=u4=0.02%。

流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的氣體成分一樣，其濕度產(chǎn)生的不確定度可忽略不記。

校準(zhǔn)裝置的合成不確定度為

2)測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度分析

表1 為渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)羅茨流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)。單次測(cè)量的最大示值誤差為E=2.4%，流量計(jì)的平均儀表系數(shù)

校準(zhǔn)結(jié)果的A 類(lèi)不確定度為

羅茨流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的合成不確定度為

取k=2，得到羅茨流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

U=ku=0.52%.

羅茨流量計(jì)的校準(zhǔn)結(jié)果為

K=22641±117(1/m3).

4 結(jié) 論

系統(tǒng)運(yùn)行6 個(gè)月，開(kāi)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)10 次，運(yùn)行穩(wěn)定，平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集終端通信良好，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，能滿足遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)際使用要求，將在能源企業(yè)開(kāi)展示范工程，為能源計(jì)量器具遠(yuǎn)程校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。

表1 渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)羅茨流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement datas of turbine flowmeter calibration roots flowmeter

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