侯學(xué)青 ，李 斌 ，程 超

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海201114；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）

現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)型標(biāo)準(zhǔn)表法流量測(cè)試裝置

侯學(xué)青1，李 斌2，程 超2

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海201114；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）

該文在比較分析傳統(tǒng)流量參數(shù)測(cè)試方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)型流量測(cè)試裝置，用于解決水流量參數(shù)測(cè)試裝置現(xiàn)場(chǎng)高精度計(jì)量檢測(cè)的問(wèn)題。整套裝置以水為介質(zhì)，以科里奧利流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表組，以變頻調(diào)速加穩(wěn)壓罐作為二級(jí)穩(wěn)壓系統(tǒng)，以LabVIEW軟硬件平臺(tái)作為開發(fā)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的裝置小巧輕便，可以車載到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速標(biāo)定，節(jié)省了因流量計(jì)拆卸送檢引起的待機(jī)時(shí)間，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。該裝置填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)水流量現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量測(cè)試的技術(shù)空白。

流量測(cè)試裝置；現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)型；標(biāo)準(zhǔn)表法；質(zhì)量流量計(jì)；LabVIEW

隨著國(guó)家政策的調(diào)整，計(jì)量校準(zhǔn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，以客戶需要為本的理念已深入人心[1]?，F(xiàn)有的流量測(cè)試裝置均為固定式，且十分龐大，流量計(jì)量時(shí)需要將流量計(jì)全部拆下送至計(jì)量單位，檢測(cè)后再取回重新安裝到生產(chǎn)線上，一般要花費(fèi)一周左右的時(shí)間，大大降低了生產(chǎn)效率[2]。盡管出現(xiàn)了將便攜式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，安裝在現(xiàn)場(chǎng)管道上進(jìn)行測(cè)試的離線實(shí)流檢測(cè)的方法，但由于管道污垢、管道銹蝕、介質(zhì)污染等因素，超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表的自身測(cè)量誤差會(huì)很大，無(wú)法滿足企業(yè)高精度的工藝控制要求[3]。在此，設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)型標(biāo)準(zhǔn)表法流量測(cè)試裝置，以車載的形式到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行流量標(biāo)定。目前整套裝處于研發(fā)階段，軟硬件平臺(tái)尚需經(jīng)過(guò)調(diào)試試驗(yàn)，一旦測(cè)試完成，該裝置對(duì)于推動(dòng)國(guó)家現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)量的發(fā)展，提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的意義。

1 理論技術(shù)依據(jù)

根據(jù)JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程要求，一套完整的標(biāo)準(zhǔn)表法流量測(cè)試設(shè)備由水箱、試驗(yàn)管道、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、壓力計(jì)、溫度計(jì)及其他輔佐儀器組成[4]。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本工作原理如下：液體在相同時(shí)間距離內(nèi)，連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表組和待檢表的質(zhì)量流量是相等的，因而通過(guò)將2個(gè)流量計(jì)的示值比對(duì)，就能夠達(dá)到標(biāo)定待檢表的功能，確定待檢表的精度、不確定度等參數(shù)[5]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法工作原理Fig.1 Operating principle of master meter method

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置的設(shè)計(jì)在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的要求。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由水箱、變頻水泵、穩(wěn)壓罐、氣泵、開關(guān)閥門、標(biāo)準(zhǔn)表組、待檢表、流量調(diào)節(jié)閥、監(jiān)控流量計(jì)、PXI機(jī)箱、PC及各種傳感器組成。將LabVIEW平臺(tái)作為標(biāo)定系統(tǒng)的軟件測(cè)試核心，下位機(jī)采用PXI機(jī)箱配備各種板卡來(lái)完成數(shù)據(jù)采集及控制工作，上位機(jī)PC采用LabVIEW來(lái)開發(fā)人機(jī)交互界面。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System components

系統(tǒng)分為穩(wěn)定水流供應(yīng)部分和流量參數(shù)測(cè)試部分。穩(wěn)定水流供應(yīng)部分采用變頻調(diào)節(jié)加穩(wěn)壓罐的兩級(jí)穩(wěn)壓系統(tǒng)，以保證水流穩(wěn)定，減小誤差。流量參數(shù)測(cè)試部分對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表和待檢表的脈沖進(jìn)行采集，由脈沖當(dāng)量換算成實(shí)時(shí)的流量值，同時(shí)采集附加傳感器的值，對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上，最后根據(jù)需要由打印機(jī)打印出相應(yīng)的原始記錄和證書。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖3所示，本裝置由檢測(cè)單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧⒐┧畣卧?部分構(gòu)成，3部分均裝有鎖緊子，方便車載到現(xiàn)場(chǎng)。供水單元由2臺(tái)變頻泵和水箱組成，通過(guò)PID控制器來(lái)控制變頻器的輸出頻率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)流量點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，通過(guò)軟管連接置于檢測(cè)單元和供水單元之間，通過(guò)補(bǔ)氣、放氣來(lái)保證罐內(nèi)氣體壓力恒定，對(duì)管道流體進(jìn)行很好的緩沖，保證了水流的穩(wěn)定，因此可以提高流量檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度。在檢測(cè)單元中，通過(guò)拉柱傾斜在檢測(cè)裝置機(jī)體內(nèi)安裝標(biāo)準(zhǔn)表組（質(zhì)量流量計(jì)），每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表管路設(shè)置1個(gè)三片閥來(lái)選通標(biāo)準(zhǔn)表，車體內(nèi)安裝控制柜，完成裝置的數(shù)據(jù)采集及控制任務(wù)。

圖3 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical structure of the facility

另外，在標(biāo)準(zhǔn)表附近特別安裝了震動(dòng)傳感器，用于測(cè)量測(cè)試裝置的震動(dòng)頻率，測(cè)得的頻率在控制柜的顯示單元顯示，當(dāng)測(cè)試裝置的震動(dòng)頻率超過(guò)設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)需調(diào)節(jié)測(cè)試裝置，使得測(cè)試裝置的震動(dòng)頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)。試驗(yàn)表明，當(dāng)測(cè)試裝置的震動(dòng)加速度超過(guò)1g時(shí)，會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)表正常工作，因此當(dāng)震動(dòng)傳感器測(cè)試到測(cè)試裝置的震動(dòng)加速度達(dá)到1g時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)表組

為解決標(biāo)準(zhǔn)表法測(cè)量精度不高的問(wèn)題，系統(tǒng)配備3臺(tái)E+H公司的Promass 83F不同口徑高精度的質(zhì)量流量計(jì)。該系列質(zhì)量流量計(jì)所需的安裝空間小，無(wú)前后直管道的要求，很好地適合本裝置現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的需求。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 質(zhì)量流量計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of mass flowmeter

3.3 水源穩(wěn)定系統(tǒng)

經(jīng)分析比較流量標(biāo)準(zhǔn)裝置常用穩(wěn)壓方法[6]（如水塔穩(wěn)壓、容器穩(wěn)壓、變頻穩(wěn)壓、變頻加容器穩(wěn)壓法），選擇變頻加容器二級(jí)穩(wěn)壓法，充分利用其壓力范圍大、設(shè)備費(fèi)用低、占用體積小和流量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，完成本裝置的水源穩(wěn)定控制[7]。其工藝流程如圖4所示。

圖4 二級(jí)穩(wěn)壓系統(tǒng)工藝流程Fig.4 Technological process of two stage voltage stabilizing syste

一級(jí)變頻穩(wěn)壓對(duì)離心泵進(jìn)行串級(jí)PID控制，以被檢表前的流量為主控制變量，實(shí)現(xiàn)最終出口流量的穩(wěn)定；以泵出口壓力作為副控制變量，減少離心泵因?yàn)殡娫措妷汉皖l率的不穩(wěn)引起的轉(zhuǎn)速變動(dòng)，從而能更好保證泵出口壓力的穩(wěn)定。

二級(jí)容器穩(wěn)壓選用立式穩(wěn)壓罐消除泵出口的高頻脈動(dòng)。通過(guò)差壓傳感器測(cè)量罐內(nèi)壓力，微機(jī)控制電磁閥進(jìn)行補(bǔ)氣、放氣，使壓縮空氣壓力保持在0.3～0.4 MPa，從而對(duì)流體流動(dòng)波動(dòng)進(jìn)行了緩沖，使流體中的氣泡析出，保證了流體的穩(wěn)定。整個(gè)罐體容積設(shè)計(jì)滿足最大流量為45 m3最大壓力為0.3 MPa，輸出流量壓力波動(dòng)值在0.1%以內(nèi)。

3.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)、PLC等控制方式，虛擬儀器技術(shù)因其高效靈活的軟件和高性能的集成模塊化硬件，使其在自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期[8]。為了保證流量測(cè)試裝置具有較高的可靠性，在硬件上要考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，滿足可測(cè)試性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性要求。在此選用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的PXI系統(tǒng)作為硬件開發(fā)平臺(tái)，配合相應(yīng)的板卡，來(lái)完成數(shù)據(jù)采集及控制任務(wù)。其配置參數(shù)如表2所示。

表2 PXI機(jī)箱配置參數(shù)及功能Tab.2 Configuration parameters and functions of PXI chassis

整個(gè)控制系統(tǒng)如圖5所示。PXIe-8840板卡作為實(shí)時(shí)目標(biāo)端 （RT Target），PC作為主機(jī)端（Host PC），它們分別運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)。目標(biāo)端的數(shù)據(jù)采集及變頻控制程序和主機(jī)端的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理程序，通過(guò)以太網(wǎng)連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PXIe-4302板卡完成傳感器的4～20 mA電流信號(hào)采集，PXIe-6614完成流量計(jì)的脈沖/頻率計(jì)數(shù)及狀態(tài)信號(hào)采集，PXI-8433完成對(duì)變頻器的控制。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of control system

4 軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是圖形化的開發(fā)環(huán)境，提供了大量的函數(shù)和控件，它無(wú)需人們掌握較多的軟件編程基礎(chǔ)，就可以簡(jiǎn)單方便地開發(fā)數(shù)據(jù)采集和控制程序，同時(shí)設(shè)計(jì)出專業(yè)、美觀的用戶界面[9]。如圖6所示，該裝置的軟件開發(fā)系統(tǒng)主要完成用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、信息錄入、檢定參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理等6個(gè)功能。

圖6 人機(jī)交互界面框圖Fig.6 Block of human-computer interaction interface

5 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的精度，提高了標(biāo)準(zhǔn)表的精度即提高了裝置的精度。本文采用E+H的0.05級(jí)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表組，并配合變頻調(diào)速和穩(wěn)壓罐的二級(jí)穩(wěn)壓，在所有參數(shù)被嚴(yán)格控制和可測(cè)量的前提下，可以期望裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度達(dá)到或優(yōu)于0.2%（k=2），滿足了高精度測(cè)試的需求。整套裝置適用口徑DN8-80的儀表標(biāo)定，水流量標(biāo)定范圍為0.5～38 m3/h。

同時(shí)，整套流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可車載到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行流量計(jì)的標(biāo)定工作，運(yùn)用LabVIEW做成的人機(jī)交互界面，從客戶委托單信息錄入、到不同流量點(diǎn)檢定、再到報(bào)表生成，整個(gè)標(biāo)定流程在現(xiàn)場(chǎng)操作靈活，節(jié)省了大量人力物力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。同時(shí)可以將該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，在全國(guó)質(zhì)檢行業(yè)推廣，以提高國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)流量標(biāo)定水平。

[1] 趙寧.移動(dòng)式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[D].保定：河北大學(xué)，2010：9-10.

[2] 石建榮，趙作廣，周軼，等.移動(dòng)式雙羅茨標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].中國(guó)計(jì)量，2013，18（7）：68.

[3] 顏一凡，劉勇，龔峰.便攜式超聲波流量計(jì)在管線測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量，2010，15（3）：106.

[4] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003.

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[7] 李寶.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置變頻調(diào)速穩(wěn)壓系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

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Flow Test Facility for Field Service Based on Master Meter Method

HOU Xue-qing1，LI Bin2，CHENG Chao2
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2.School of Mechatronical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

On the basis of comparing and analyzing the traditional flow parameter testing methods，a field service flow test facility is designed to solve the problem of high accuracy measurement of water flow parameter test device.The whole device takes water as the medium，and the Coriolis flowmeters are used as master meters.The variable frequency pump and the surge tank are acted as the secondary regulation system，and the hardware and software platform of LabVIEW are used as the development system.The entire facility is small and light weight so that it can be carried to the scene for rapid calibration.It saved the standby time caused by the disassembly and examination of the flowmeter and greatly improved the production efficiency of the enterprise.The device fills the technical blank of field measurement and measurement of domestic water flow.

flow test facility；field service；master meter method；mass flowmeter；LabVIEW

TB937

A

1001-9944（2017）11-0024-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.006

2017-06-12；

2017-09-06

侯學(xué)青（1984—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化儀表。