甄 楊，王錫鋼，施 鑫

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國能源的需求愈加強(qiáng)烈，隨之而來的能源危機(jī)的挑戰(zhàn)使能源計(jì)量的準(zhǔn)確性問題日益顯著，氣體流量計(jì)廣泛應(yīng)用于天然氣、蒸汽等領(lǐng)域的貿(mào)易結(jié)算中，均屬于我國計(jì)量法規(guī)定的強(qiáng)制檢定范圍，因此氣體流量計(jì)也越來越受到計(jì)量部門的重視，如何實(shí)現(xiàn)該類儀表更準(zhǔn)確的量值傳遞成為計(jì)量部門面對的新問題。

目前，國內(nèi)的氣體流量標(biāo)定裝置主要有鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、PVTt式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、以高精度容積式流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等。其中，鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、PVTt式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且價(jià)格昂貴；而高精度容積式流量計(jì)需要進(jìn)口、價(jià)格昂貴、且精度易發(fā)生變化，不易日后維護(hù)[1]。臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是以音速噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)表，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，無可動(dòng)部件，能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)和控制流量，是目前我國省市級計(jì)量單位普遍采用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

上世紀(jì)60年代末，英國國家工程試驗(yàn)室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標(biāo)準(zhǔn)局、Colorado工程研究所、日本國家計(jì)量研究所就將臨界流文丘里噴嘴用于高壓大流量測試。從上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)許多科研院所開展了針對噴嘴裝置相關(guān)研究，事實(shí)證明臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一種簡單可靠、準(zhǔn)確度高、擴(kuò)展不確定度較小的裝置，現(xiàn)已被ISO采納為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9300[2]。

在計(jì)量部門檢定過程中，目前尚無一種確定被檢流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)裝置同軸連接的方法，普遍依靠人眼觀測以及經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)裝置的連接，這一方面增加了檢定人員的工作量以及工作難度，另一面如若流量計(jì)不能準(zhǔn)確同軸連接在管道上，將會(huì)引起流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)氣體的泄露，其次還會(huì)影響流量計(jì)內(nèi)部氣體旋渦的產(chǎn)生，進(jìn)而影響檢測的準(zhǔn)確度，這無疑給檢定工作帶來了額外的不必要的誤差。為了實(shí)現(xiàn)檢定的高準(zhǔn)確度，更準(zhǔn)確地完成國家能源計(jì)量工作的量值傳遞，維護(hù)用戶的經(jīng)濟(jì)利益，需要研究被檢流量計(jì)與臨界流文丘里噴嘴法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置同軸連接的方法，制定可行方案，提高檢定的準(zhǔn)確度，并提高檢定過程的自動(dòng)化程度和檢定效率。

1 方法原理以及試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

本文研究被檢流量計(jì)與臨界流文丘里噴嘴法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置同軸連接的方法，基于該方法的試驗(yàn)裝置由視頻采集模塊、紅外探測模塊、視頻顯示模塊和信息處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 同軸度檢測結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of the coaxial degree detecting structure

該系統(tǒng)中，信息處理系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的最小系統(tǒng)，主要由嵌入式處理器、電源子系統(tǒng)、SDRAM子系統(tǒng)、Flash子系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)以及串口和JTAG調(diào)試接口等部分組成。視頻采集模塊，包括視頻解碼芯片和視頻采集攝像頭兩部分，攝像頭負(fù)責(zé)視頻信息的采集，視頻解碼芯片把攝像頭采集到的視頻信號編碼后送給信息處理系統(tǒng)處理。紅外探測模塊，由紅外光電三極管、單片機(jī)、可觸摸液晶屏組成，光電三極管將檢測到的光電壓值傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的信息顯示在觸摸液晶屏上。視頻顯示模塊包括視頻編碼芯片和LCD顯示屏兩部分，視頻采集模塊采集到的視頻信息，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)處理后，再通過視頻編碼芯片編碼，輸出到LCD顯示屏上。

1.1 視頻采集模塊

紅外光源作為檢測系統(tǒng)的光源部分，其作用即可以實(shí)時(shí)傳輸管道內(nèi)部圖像，提供給操作人員直觀的管道內(nèi)部視覺信息，又可以在管道內(nèi)部發(fā)出一束充滿管道的紅外光柱，以便于接收端探測。紅外電視技術(shù)是一種成熟的識(shí)別成像技術(shù)，其將電視技術(shù)與主動(dòng)紅外夜視技術(shù)相結(jié)合，用不可見紅外輻射主動(dòng)照明目標(biāo)，并用對此紅外輻射波段敏感的高靈敏攝像機(jī)攝像的手段進(jìn)行夜視。它綜合了紅外主動(dòng)夜視不受環(huán)境照度限制，能在完全黑暗的環(huán)境中攝像、成本低、圖像相對清晰的特點(diǎn)，以及電視方法能傳輸圖像、能錄像的特點(diǎn)。如圖2所示，本裝置選用工業(yè)級紅外攝像頭作為紅外光源，將攝像頭采集到的管道內(nèi)部圖像傳輸進(jìn)可移動(dòng)液晶顯示屏，方便檢測人員實(shí)時(shí)觀察管道內(nèi)部流量計(jì)與管道同軸情況。

圖2 視頻采集單元Fig.2 Video acquisition unit

1.2 紅外探測模塊

紅外探測技術(shù)，是利用紅外光實(shí)現(xiàn)檢測各類參數(shù)的技術(shù)。紅外光是一種波長介于微波與可見光之間的電磁波輻射，肉眼無法覺察。要探測到這種輻射，并測量其大小，必須將它轉(zhuǎn)換成可以探測得到的其他物理量。物體經(jīng)紅外輻射照射后所產(chǎn)生的反應(yīng)，只要其大小可以被測量，均可用來檢測紅外輻射的強(qiáng)弱。紅外探測器的主要原理是光電效應(yīng)和紅外熱效應(yīng)。這些效應(yīng)基本以電信號形式輸出，或者以其它方式轉(zhuǎn)換成電信號輸出。紅外光電三極管是一種典型的紅外器件，它是一種晶體管，是在光電二極管技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的光電器件，本身具有放大功能[3]。它有三個(gè)電極。電極之間的電阻會(huì)隨著光照大小的變化而變化。如圖3所示，本裝置選用8個(gè)紅外光電三極管作為光電探測元件，安裝在輔助標(biāo)準(zhǔn)法蘭內(nèi)側(cè)，探出法蘭管道內(nèi)壁1 mm，輔助標(biāo)準(zhǔn)法蘭可通過螺栓固定在被檢流量計(jì)法蘭上，其可以靈敏地探測到紅外光源發(fā)出的紅外光線，并將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓信號由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)輸出到液晶終端，以供檢測人員判斷管道同軸情況，若8個(gè)探測器檢測電壓相同則可認(rèn)為流量計(jì)與裝置在±1 mm誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了同軸連接。

圖3 紅外探測模塊Fig.3 Infrared detection module

1.3 數(shù)據(jù)傳輸及處理與圖像的解析

根據(jù)紅外成像的原理，紅外攝像機(jī)拍攝的圖像和普通的彩色攝像機(jī)拍攝的圖像相比有一些不同的特點(diǎn)，比如：紅外圖像噪點(diǎn)比較多，邊緣不明顯。為了實(shí)現(xiàn)后期準(zhǔn)確的識(shí)別，需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理。通過圖像的去噪技術(shù)，會(huì)減少噪點(diǎn)對圖像的影響；通過對比度增強(qiáng)技術(shù)，可以把運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和背景的區(qū)分度變大，提高實(shí)時(shí)檢測時(shí)的準(zhǔn)確率。圖4為整個(gè)同軸度檢測系統(tǒng)工作流程，圖5為試驗(yàn)裝置液晶終端顯示，分別為視頻終端和紅外探測終端，顯示信息可直接反饋給檢測人員以便于操作。

圖4 同軸檢測系統(tǒng)工作流程Fig.4 Flow chart of coaxial monitoring system principle

圖5 同軸試驗(yàn)裝置液晶終端顯示Fig.5 Liquid crystal display of coaxial experimental device

2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)依據(jù)國家檢定規(guī)程JJG 1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》[4]進(jìn)行，選用某儀表企業(yè)生產(chǎn)精確度等級為1.5級，DN80口徑，型號為LUX-80的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，儀表編號為1412190，流量范圍（18～200）m3/h，試驗(yàn)如圖6所示。圖7為輔助標(biāo)準(zhǔn)法蘭內(nèi)側(cè)光電三極管編號分布。

圖6 同軸試驗(yàn)Fig.6 Coaxial experiment

圖7 光電三極管編號分布Fig.7 Number distribution of the photoelectric triode

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)儀表按照表1情況對準(zhǔn)同軸情況下，依據(jù)規(guī)程進(jìn)行檢定，該儀表qt≤q≤qmax相對示值誤差1.18%，重復(fù)性誤差0.07%，qmin≤q＜qt相對示值誤差+2.09，重復(fù)性誤差0.14%，儀表系數(shù)為10108.3（1/m3），準(zhǔn)確度等級符合1.5級。當(dāng)儀表在表2未實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)同軸，儀表軸線中心高于標(biāo)準(zhǔn)裝置軸線中心情況下，該流量計(jì)各點(diǎn)儀表系數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，尤其在小流量點(diǎn)變化顯著，偏差達(dá)到+102.7（1/m3），儀表系數(shù)整體偏差了-101.3（1/m3），依據(jù)規(guī)程經(jīng)檢定，該儀表 qmin≤q＜qt區(qū)間示值誤差超差，準(zhǔn)確度等級不符合1.5級，檢定結(jié)果不合格[5]。

表1 同軸試驗(yàn)光電檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Coaxial alignment photoelectric detection data

表2 同軸度試驗(yàn)儀表試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data of the coaxial experiments

因此可見計(jì)量部門檢定人員在檢定時(shí)由于人為未同軸連接流量計(jì)的失誤引入的誤差足以產(chǎn)生檢定誤判情況。

3 結(jié)語

氣體流量計(jì)作為貿(mào)易計(jì)量的重要計(jì)量器具其使用已經(jīng)越來越廣泛，目前廣泛應(yīng)用于天然氣、蒸汽等貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域。與此同時(shí)該流量計(jì)的量值傳遞工作也愈加重要，其量值溯源的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到企業(yè)和百姓的切身經(jīng)濟(jì)利益。本文研究了氣體流量計(jì)與臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置同軸連接方法，目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)該類流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)裝置誤差在±1 mm內(nèi)的同軸連接。經(jīng)過試驗(yàn)分析進(jìn)一步證明了氣體流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)裝置同軸連接的重要性。

[1]蘇彥勛，楊有濤.流量檢測技術(shù)[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[2]ISO9300-1990.low venturi nozzles[S].

[3]李園，宋艷霞，邢磊.紅外探測技術(shù)的應(yīng)用[J].科技信息，2011（22）：85.

[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 1121-2015旋進(jìn)旋渦流量計(jì)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.