劉藝專

摘要：文中基于臨界流噴嘴原理，研制了一款誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置滿足氣體流量計(jì)的量值誤差和密封性能指標(biāo)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了交易結(jié)算、工業(yè)計(jì)量、過程控制、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域的流量測(cè)量儀表檢定的準(zhǔn)確高效。

關(guān)鍵詞：誤差檢測(cè)；密封性試驗(yàn)；一體；音速噴嘴

The Design of the Sonic Nozzle Gas Flow Standard Device of the Negative Pressure Method with the Integration of Error Detection and Sealing Test

LIU Yizhuan

（ Zhangzhou Metrology Institute， Zhangzhou 363000， Fujian， China ）

Abstract：? Based on the principle of critical flow nozzle， a gas flow standard device with negative pressure method is developed， which can be used for error detection and sealing test. The device can meet the measurement error and seal performance of gas flowmeter， and realize the accurate and efficient verification of flow measurement instrument in the fields of trade settlement， industrial metering， process control， safety production and so on.

Key Words： Error detection;Sealing test; Integration; Sonic nozzle

0概述

氣體流量計(jì)用于測(cè)量氣體流量，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研領(lǐng)域，是一種重要的氣體流量計(jì)量器具。目前，氣體流量計(jì)的誤差檢測(cè)一般采用負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，氣體流量計(jì)的密封性實(shí)驗(yàn)需要采用另外一套專用的打壓實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行，這種方式檢定、校準(zhǔn)氣體流量計(jì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢定效率不高。

文中所述《誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》是漳州市計(jì)量所立項(xiàng)的福建省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目（編號(hào)FJQI2018054）和漳州市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)ZZ2019J46），已通過驗(yàn)收。文中旨在研制一套誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可通過一次裝夾實(shí)現(xiàn)氣體流量計(jì)的量值誤差和密封性能指標(biāo)的檢測(cè)，滿足交易結(jié)算、工業(yè)計(jì)量、過程控制、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域的流量測(cè)量儀表檢定的準(zhǔn)確高效。

1裝置總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目研制的誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由裝置主機(jī)、控制系統(tǒng)（包括下位機(jī)和上位機(jī)等）、上位機(jī)軟件組成，如圖1所示。

該裝置具備以下特點(diǎn)：

1）該項(xiàng)目研制的誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有高準(zhǔn)確度、檢定高效、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以檢定0.5～500 m3/h范圍內(nèi)的流量點(diǎn)，主要計(jì)量器具音速噴嘴0.2級(jí)，壓力變送器0.1級(jí)。整機(jī)相對(duì)擴(kuò)展不確定度0.5%。

2）裝置可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）可實(shí)現(xiàn)氣體流量儀表的誤差檢測(cè)及密封性試驗(yàn)兩種功能；

（2）被檢氣體流量計(jì)在一次裝夾的情況下，通過切換控制開關(guān)，切換至誤差測(cè)試或密封性試驗(yàn)功能。

3）可以通過上位機(jī)軟件進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、過程控制。

2 裝置主機(jī)設(shè)計(jì)

誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的主機(jī)從功能上可分為誤差檢測(cè)和密封性試驗(yàn)兩部分。

2.1誤差檢測(cè)功能硬件設(shè)計(jì)

誤差檢測(cè)功能硬件設(shè)計(jì)圖如圖2所示，根據(jù)當(dāng)前檢定流量的需要，軟件自動(dòng)通過算法得出噴嘴閥門最佳組合，并打開不同的噴嘴閥門，得到所需的檢定流量。利用滯止容器對(duì)負(fù)壓的穩(wěn)定作用，使噴嘴的背壓比（出入口壓力）趨于穩(wěn)定，進(jìn)而使噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)。流經(jīng)噴嘴的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：

——流經(jīng)噴嘴的氣體質(zhì)量流量標(biāo)準(zhǔn)值；

——通過第i個(gè)臨界流噴嘴的氣體質(zhì)量流量；

——所選擇噴嘴的個(gè)數(shù)。

流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（臨界流噴嘴）和被檢設(shè)備（被檢流量計(jì)）的氣體質(zhì)量流量是相同的。在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)采集噴嘴前的滯止容器的壓力和溫度以及濕度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的氣體質(zhì)量流量和累積流量，并通過計(jì)算，將它與同時(shí)被檢流量計(jì)采集到的輸出量示值進(jìn)行比較，從而得到不同流量點(diǎn)下被檢流量計(jì)的重復(fù)性誤差和示值誤差，完成誤差檢測(cè)環(huán)節(jié)。

2.2密封性試驗(yàn)功能硬件設(shè)計(jì)

密封性試驗(yàn)功能硬件如圖3所示，誤差檢測(cè)完畢后，打開儲(chǔ)氣罐進(jìn)口和出口的兩個(gè)閥門。系統(tǒng)默認(rèn)關(guān)閉檢測(cè)管路兩端的氣動(dòng)開關(guān)閥，在上位機(jī)軟件上選擇好檢測(cè)的口徑后選擇密封性測(cè)試功能，這時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)通過控制電動(dòng)三通閥將壓力測(cè)量的取壓變送器切換到高壓壓力變送器上，然后點(diǎn)擊軟件上的“開始”按鈕，就打開了進(jìn)氣電動(dòng)閥，高壓氣體就經(jīng)過電磁閥進(jìn)入到檢測(cè)管路中。當(dāng)管路中氣體壓力達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)壓力，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣電動(dòng)閥，不再使氣體繼續(xù)進(jìn)入檢測(cè)管路中。等待氣體穩(wěn)定就可以進(jìn)行密封性測(cè)試了。測(cè)試完成以后，點(diǎn)擊“泄壓”按鈕，管路中的氣體可以通過調(diào)節(jié)閥排放到大氣中，整個(gè)密封測(cè)試結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢定裝置以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（以下簡稱“工控機(jī)”）為調(diào)度中心，對(duì)各個(gè)子控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。兼顧模塊化結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，其主要功能是完成檢定過程中設(shè)備的開關(guān)啟停，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被檢設(shè)備的信號(hào)采集、檢定數(shù)據(jù)處理、記錄打印、檢定報(bào)告及檢定證書等?？刂葡到y(tǒng)工作原理如圖4所示。

控制系統(tǒng)所控制的設(shè)備對(duì)象包括檢定中使用的動(dòng)力氣源、檢定介質(zhì)氣源發(fā)生系統(tǒng)、噴嘴閥門組、攝像拍照系統(tǒng)及其它設(shè)備。整個(gè)控制系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，實(shí)時(shí)、可靠、高效地協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作，很好地實(shí)現(xiàn)流量計(jì)音速噴嘴法的流量檢定功能。

1）控制功能

系統(tǒng)設(shè)備中離散控制的開關(guān)設(shè)備：管路閥門、泵出口閥門、泄壓閥門；

系統(tǒng)設(shè)備中的連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備：變頻器。

2）數(shù)據(jù)采集功能

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備信號(hào)采集：溫度變送器、壓力變送器、濕度變送器；

被檢設(shè)備信號(hào)采集：包括4～20 mA、高低頻脈沖信號(hào)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）軟件依托WINDOWS 7操作系統(tǒng)，以國產(chǎn)組態(tài)軟件中的組態(tài)王為平臺(tái)進(jìn)行編寫，由于組態(tài)王軟件在國內(nèi)應(yīng)用十分廣泛，具備多廠家的驅(qū)動(dòng)接口，編程的通用性強(qiáng)，維護(hù)方便，適合檢定軟件的編寫。本系統(tǒng)硬件設(shè)備使用的西門子PLC，可以直接利用組態(tài)王提供的驅(qū)動(dòng)程序與之進(jìn)行通訊，省去了開發(fā)驅(qū)動(dòng)的環(huán)節(jié)?？梢约芯M(jìn)行算法的編寫，同時(shí)組態(tài)王圖形界面的流程自動(dòng)化和報(bào)表格式多樣性也為產(chǎn)品的開發(fā)提供了便利。包括實(shí)現(xiàn)根據(jù)流量點(diǎn)自動(dòng)選擇開啟不同的噴嘴組合的功能也十分突出。計(jì)算機(jī)操作界面如圖5所示。

系統(tǒng)軟件使用西門子專用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議PPI與PLC進(jìn)行交互通訊，PPI協(xié)議是建立在RS485的基礎(chǔ)上。因此有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)該協(xié)議也具有完善的校驗(yàn)功能，可以對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。保證上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）與下位機(jī)（PLC）交換數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，完美地實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定裝置的控制。系統(tǒng)軟件開始運(yùn)行以后，自動(dòng)把現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示到主界面上，操作人員可以很直觀地了解整個(gè)裝置系統(tǒng)的運(yùn)行情況。經(jīng)過操作人員的信息錄用后，軟件開始對(duì)被檢設(shè)備操作，實(shí)時(shí)同步采集控制被檢設(shè)備（流量計(jì)）和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（噴嘴）的數(shù)據(jù)。并在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行累積并運(yùn)算，按照相應(yīng)的國家檢定規(guī)程[1]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最終的檢定數(shù)據(jù)結(jié)果，以原始數(shù)據(jù)的方式存入Access數(shù)據(jù)庫中，并可以通過EXCEL方式導(dǎo)出。報(bào)表格式如圖6所示。

4結(jié)語

文中基于臨界流噴嘴原理，研制了一款誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）該項(xiàng)目研制的誤差檢測(cè)、密封性試驗(yàn)為一體的負(fù)壓法音速噴嘴式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有高準(zhǔn)確度、檢定高效、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以檢定0.5～500 m3/h范圍內(nèi)的流量點(diǎn)，主要計(jì)量器具音速噴嘴0.2級(jí)，壓力變送器0.1級(jí)。整機(jī)相對(duì)擴(kuò)展不確定度0.5%。

2）裝置可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）可實(shí)現(xiàn)氣體流量儀表的誤差檢測(cè)及密封性試驗(yàn)兩種功能；

（2）被檢氣體流量計(jì)在一次裝夾的情況下，通過切換控制開關(guān)，切換至誤差測(cè)試或密封性試驗(yàn)功能。

（3）可以通過上位機(jī)軟件進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、過程控制。

參考文獻(xiàn)

[1]全國流量容量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).氣體容積式流量計(jì)：JJG 633-2005[S].北京：中國計(jì)量出版社，2005：11.