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河北工业大学硕士学位论文 流量计检定系统自动化开发研究 摘要 随着科学技术的不断发展，计算机技术及微电子器件的应用越来越广泛。在此基础上 发展起来的智能仪表使测量的准确度、灵敏度、可靠性及自动化程度上都有了质的飞越， 由此对流量检定装置提出了更高的要求。 河北宏业机械股份有限公司原有一套静态容积法检定装置，该装置的控制系统落后且 可靠性不高，不能满足生产发展的需求，因此提出了自动化改造的要求。本人在查阅了国 内外有关参考文献的基础上，对流量检定标准装置的检定原理进行了详细的分析，提出了 四套改造方案，在考虑装置的经济性和精度的情况下，结合原有的检定装置，最终确定了 一套适合宏业仪表有限公司的设计框架。 文中对检定系统的功能要求进行了全面分析，设计了系统的输入、输出关系，确定了 检定方案：该系统以工控机为核心，在软件上采用了基于w i n d o w s 环境下的l a b v i c w 开发 平台；在硬件上通过多功能数据采集卡和控制电路板之间的交互信息实现了对执行机构的 控制，同时对被检流量计输出的不同信号进行数据采集。 本系统技术难点主要有三点。第一，作为计量检定装置，精度是一项最为关键的指标。 文中对影响检定精度的各种因素进行了分析，重点讨论了对精度影响较大的换向时间误差 和同步测量问题；第二，检定装置工作在工业现场，工作环境比较恶劣，需要对系统的稳 定性和可靠性进行分析论证；第三，由于本系统是在原有装置的基础上进行的改造，因此 必须根据河北宏业的要求对系统的经济性予以考虑。 实验证明：改造后的静态容积法流量计检定系统实现了流量计的自动标定，在技术上 和经济上都达到了系统检定要求。 关键词：流量计，自动检定，检定装置，虚拟仪器 堕苎苎丝塞耋篁垦垫些墅垄丝塞 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff l o w m e t e r a u t o m a t i cc a l i b r a t i n gd e v i c e a b s t r a c t w l 也t h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea p p f i e a t i o no ft h et e c h n o l o g y o f t b 。e c o m p u t e ra n d m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e i s m o r e , a n d m o t 6 e x t e n s i v e 。o n t h i s b a s i s ，t h e r e i s l c a po f t h eq u a l i t yo nt h ea c c u r a c y , s e n s i t i v i t y , d e p e n d a b i l i t ya n da u t o m a t i cd e g r e e ，t h e r e f o r eh a s p u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt ot h ed e m a r c a t i n gs t a n d a r dd e v i c eo f t h ef l o w h e b e ih o n g y ec o ，l t d h a das e to fs t a t i cv o l u m el a w st oa s s a ya n df i to r i g i n a l l y , b u tt h e c o n t r o ls y s t e ml a g g e db e h i n da n dt h ed e p e n d a b i l i n gi sn o th i g h , t h a tc a n n tm e e tt h ed e m a n df o r p r o d u c t i o nd e v e l o p m e n ks ot h e yh a v ep u tf o r w a r dt h er e q u e s tf o ra u t o m a t i ct r a n s f o r m a t i o n n l e p a p e rh a sc a r r i e do nd e t a i l e da n a l y s i st ot h ee x a m i n a t i o np r i n c i p l eo fc a l i b r a t i n gt h es t a n d a r d d e v i c eo f t h ef l o wo nt h eb a s i so f c o n s u l t i n ga b o u tt h el i s to f r e f e r e n c e s b o t ha th o m ea n da b r o a d ， a n dd e s i g n e ds e v e r a ls e t so fs c h e m e so fc a l i b r a t i n g i nc a s eo fc o n s i d e r i n gt h ee c o n o m ya n d p r e c i s i o na n dc o m b i n i n gt h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h ed e v i c e ，t h es y s t e m a t i cd e s i g nf r a m eo ft h e s t a t i cv o l u m ef l o wm e t e ri sb r o u g h tf o r w a r d a f b rd e m a n d i n gt oa n a l y s ei na l la l l - r o u n dw a yi nc a l i b r a t i n gt h es y s t e m a t i cf u n c t i o ni nt h e a r t i c l e ，w eh a v ec o n f i r m e ds y s t e m a t i cm p u ta n do u t p u tr e l a t i o na n dh a v ed e s i g n e dt h es c h e m eo f a s s a y i n g 1 1 1 es y s t e mr e g a r d si n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra st h ec o r e a d o p t sl a b v i e wd e v e l o p i n g p l a t f o r mu n d e rw i n d o w sp l a t f o r mi nt h es o f t w a r e ；c o n t r o l st h ee x e c u t i v em a c h i n ea n dc o l l e c t s d i f f e r e n t s i g n a l t h a tf l o wm e t e r o u t p u tt h r o u g ht h e m u t u a li n f o r m a t i o nb e t w e e nt h e m u l t i f u n c t i o nd a t ac o l l e c t i n gc a r da n dc o n t r o lc k c m tb o a r d t h et e c h n o l o g i c a ld i f f i c u l tp o i n to f s y s t e mh a s t h r e ep o i n t sm a i n l y , f i r s t ，a sc a l i b r a t i n gd e v i c e ， t h ep r e c i s i o ni st h em o s tc r u c i a li n d e x 1 1 1 ci n f l u e n c i n gv a r i o u sk i n d so ff a c t o r so ft h ep r e c i s i o n a r ea n a l y s e di nt h ea r t i c l e ，e r r o rt or e v e r s i n ga n ds y n c h r o n o u sm e a s u r i n gi sd i s c u s s e de s p e c i a l l y ； s e c o n d ，a sc a l i b r a t i n gd e v i c ew o r k sa tt h ei n d u s g i a ls c e n e ，w o r k i n ge n v i r o n m e n ti sm o r e a b o m i n a b l e ，t h es y s t e m a t i cs t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ya r en e e d e dt oa n a l y s ea n dp r o v e ；廿l i r d ， t h i ss y s t e mr e c o n s t r u c t so nt h eb a s i so fo r i g i n a ld e v i c e ，s om u s tc o n s i d e rt h ee c o n o m yo ft h e s y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fh e b e ih o n g y ec o ，l t d 刀拾r e s u l ti sp r o v e d ：s t a t i cv o l u m el a wf l o wm e t e rt h a tt h ep a p e rp u tf o r w a r di st or e a l i z e f l o wi n s t r u m e n ta u t o m a t i ca n ds t a n d a r ds y s t e m a t i c a l l yt oc a l i b r a t i o n ，a n da l lm e tt h er e q u i r e m e n t o fh e b e ih o n g y ec o ，l t d o nt e c h n i c a l l y ，e c o n o m ya tt h es a n l et i m e k e yw o r d s ：f l o w m e t e r , a u t o m a t i cc a l i b r a t e ，c a l i b r a t i n gd e v i c e ，l a b v i e w 1 1 河北工业大学硕士学位论文 k 一工作量器容积零点，工。 矿一标准容积，上。 k 一容器系数，m m 。 h 一水位高度，m m 。 0 一水温，o c 。 r - 一检定时间，s 。 一脉冲的累积值。 d 一管道内径，m m p 一检定介质的密度，酶m 3 。 q 。一标准体积流量，r r t 3 h a p 一差压，k p a d 一节流件开孔直径，m m 符号说明 v 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 l 一1 课题提出的背景 在工业自动化生产过程中，流量是经常检测的参数，随着科学技术的发展，人们对于流量 检测准确度的要求也越来越高，需要检测的流体介质的品种也越来越多，为此人们根据不同测 量对象的物理性能，运用不同的物理原理和规律，设计制造出了各种类型的流量仪表，并将其 应用于工艺流程中配比参数、调节控制、实现工业能源计量。为了保证流量仪表的准确计量， 流量计在出厂前、使用中、维护后都必须对其计量性能进行测试或校验。对流量计进行流量校 验，就是采用国家法定的流量计量检定装置，对其主要特性及准确度指标进行的校核工作【l l 。 因此对流量计的检定是在流量标准装置上进行，所以流量标准装置必须满足仪表试验特性的要 求，并且对流量检定装置的精度和可靠性提出了新的要求【2 ”。 流量计检定装置的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节，也是物流计量的重 要组成部分，所以多年来一直得到世界各国政府和企业的重视，有些国家组成了专门的研究机 构，研究建立了种类繁多的流量计检定装置【4 5 ，6 ，”，并对装置的技术指标、特性和经济效益进 行了分析和研究。虽然目前流量计检定装置的研究和建立已有很大的进展，但仍存在不少问 题，这些问题有的是技术上的，有的是经济上的，为此研制一套既能满足校准要求而造价又低 廉且工作效率较高的流量计检定装置，无论在经济上还是在技术上都有积极意义。 河北宏业机械股份有限公司是一个专业的流量计制造企业。目前主要生产：速度式流量 计、容积式流量计和差压式流量计等产品。该公司原有一套静态容积法流量计检定装置，该装 置的控制系统构建于7 0 年代，主要靠逻辑电路进行控制，控制系统比较落后且可靠性不高， 数据处理功能较差，效率低，而且容易引入人为误差，对于某些信号形式的仪表不能进行检 定，己不能满足检定系统的检定要求，因此需要对其进行技术改造，实现自动化控制，为此我 们依据液体流量标准装置检定规程结合河北宏业原有的装置，设计了静态容积法水流量标准 装置自动控制系统，该控制系统实现了真正意义上的自动控制，提高了检定精度。 卜2 流量计检定装置的分类 由于流量计在制造工艺、装配工艺上存在的差异以及具体使用条件和被测介质的不同，一 般来说，制成后的流量计都需要进行标定8 1 ：凡长期使用的流量计也应进行定期标定；另外， 当流量计经过更新维修后，也应进行重新标定。除上述情况外，下面的情况也应对流量计进行 河北工业大学碗上学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 在工业自动化生产过程中，流量是经常检测的参数，随着科学技术的发展，人们对于流量 检涮准确度的要求也越来越高，需要检测的流体介质韵品种也越来越多，为此a 们根据不同测 量对象的物理性能，运用不同的物理原理和规律，设计制造出了各种类型的流量仪表，并将其 应用于工艺流程中配比参数、调节控制、实现工业能源计量。为了保证流量仪表的准确计量， 流景计在出厂前、使用中、维护后都必须对其计量性能进行测试或校验。对流量计进行流量校 验。就是采用国家法定的流量计量检定装置，对其主要特性及准确度指标进彳亍的校核工作【l 】。 因此对流量计的检定是在流量标准装置上进行，所以流量标准装置必须满足仪表试验特性的要 求，并且对流量检定装置的精度和可靠性提出了新的要求1 2 - 3 l 。 流量计检定装置的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节也是物流计量的重 要组成部分，所以多年来一直得到世界各国政府和企业的重视，有些国家组成了专门的研究机 构，研究建立了种类繁多的流量计检定装置【4 ，5 l ，并对装置的技术指标、特性和经济效益进 行了分析和研究。虽然目前流量计检定装置的研究和建立已有很大的进展，但仍存在不少问 题，这些问题有的是技术上的，有的是经济上的，为此研制一套既能满足拉准要求而遣价又低 廉且工作效率较高的流量计检定装置，无论在经济上还是在技术上都有积极意义。 河北宏业机城殷份有限公司是一个专业的流量计制造企业。目前主要生产：速度式流量 计、弈积式流量计和差压式流量引等产品。该公司原有一套静态容积法流量计检定装置，该装 置的控制系统构建于7 0 年代，主要靠逻辑电路进行控制控制系统比较落后且可靠性不高， 数据处理功能较差，效率低，而且容易引入人为误差，对于某些信号形式的仪表不能进行检 定，己不能满足检定系统的检定要求，因此需要对其进行技术改造，实现自动化控制，为此我 们依据液体流量标准装置检定规程结合河北宏业原有的装置，设计了静态容积法水流量标准 装置自动控制系统，该控制系统实现了真正意义上的自动控制，提高了检定精度。 卜2 流量计检定装置的分类 由于流量计在制造工艺、装配工艺上存在的差异以及具体使用条件和被测介质的不同 般来说，制成后的流量计都需要进行标定【8 1 ：凡长期使用的流量计也应进行定期标定；另外， 当流量计经过更新维修后，也应进行重新标定。除上述情况外，下面的情况也应对流量计进行 当流量计经过更新维修后，也应进行重新标定。除上述情况外，f i 面的情况也应对流量计进行 流量计捡定系统自动化开发研究 标定：被长期搁置的流量计，重新投入使用时；要求获得较高的测量精度时；因检修需要流 量计被拆卸后再行装配时；对测得的结果持有怀疑态度时。 对流量计进行标定的检定装置，根据检定介质的不同可分为液体流量标准检定装置和气体 流量标准捡定装置。如果按液体流量标准检定装置中用的标准器的形式分，分为容积式、称量 式、标准体积管式和标准流量计式。液体流量标准检定装置如图1 1 。 图1 1 流量检定装置的分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no ft h ef l o wc a l i b r a t i n ga p p a r a t u s ( 1 ) 称量法： 称量方式的标定方法是用称代替带有刻度的容器，可以分为停止法和动态法两种。所谓的 停止法是指在一定的时间内使被测液体从被标定流量计流入称量容器中，在液体完全停止流动 后测出被称量容器中液体的质量，然后根据液体的密度来计算体积，最后确定流量计的流量。 所谓的动态法就是边记录时间边测量液体的质量，并且液体不停止流动9 ，1 0 , 】。 在这两种方式中，如果用称量得流入被称量容器中的被测液体的质量为m ，流入这些液 体需要的时间为t ，空气的密度为见，流过被标定流量计的液体的密度为p ，则流过被标定 流量计的准确流量q ，可以用r 面的表达式求出：q ，= 三( ，+ 告 式中告是空气浮力的修 正值。 称量法适合于小口径的流量计，对证5 0 r a m 口径流量计进行检测，称量重量近一吨，一般 2 河北工业大学硕士学位论文 装置无法精测。 ( 2 ) 标准表法： 标准表方式是现场标定流量计的一种方式。所谓的标准表是事先经过精密标定的流量计， 教该方式就是采用标准流量计标定非标准流量计的方法，被检流量计与标准流量计串联在管道 上，使实验液体依次流过两个流量计，通过比较两者的测量显示值来求出误差【”，”】。 标准流量计法是一种在线标定方式，标定时不会影响到生产的正常进行而且用标准流量 计法标定流量计，不需知道温度和压力对被检流量计的影响，也不需计算出由温度和压力对被 检流量计产生的误差。可以直观地从标准流量计和被检流量计上看出被检流量计的误差，起到 标定的作用 1 4 , 15 】。用标准流量计法标定流量计，能够提高标定流量计的效率，操作方法简 单。但由于用标准流量计进行标定，被检流量计的精度要取决于标准流量计的精度，受标准流 量计精度等级的限制，因此标定精度较低。 ( 3 ) 标准体积管式标定法： 当不可压缩的单相液体稳定的流经被检流量计和体积管时，根据液体的连续性定理，单位 时间内流经流量计的液体，等于单位时间内流经体积管的液体。因此，标定球在两个检测开关 之间移动时所置换出来的体积量等于相应时间间隔内流经流量计的体积量，两者相比较即可确 定流量计的示值误差。 使用标准管法标定流量计最大的优点就是可以使流量计在使用状态下进行标定m ”】，而 不必进行拆卸和停止生产。这样对于要求流量计连续工作的场合，用标准体积管法标定流量计 是一种很好的方法，但由于标准体积管的机械结构，标准体积管法适合于低流速，高牯度的液 体。 ( 4 ) 容积式标定法： 利用容积式标定流量计是一种常用的方法，用泵把试验液体从贮液槽中打入水塔，从水塔 下来的恒压的试验液体通过被标定流量计进入标准容器，该容器刻有能准确求出液体体积的刻 度。从读数玻璃管的刻度上读出在一定时间内进入标准器的液体的体积，然后将此体积与被标 定流量计的示值进行比较，就能求出被标定流量计的误差”。 在这种情况下，有两种测定方法：一种是一边让试验液体以一定的流量流入标准容器内， 边读出读数玻璃管内的液面七升量，这就是所谓的动态校验法；另一种情况是，让一定体积 的试验液体流八标准容器，测量从开始流入到停止流入的时间，这就是所谓的静态校验法。 利用容积法标定流量计时，只要能够准确地测量出液体的体积和流过这些液体体积所需的 时间，就能准确的计算出流量计的平均流速【19 , 2 0 , 2 1 1 。对于静态容积法其标准容器误差为些， v 当v 越大时，容器误差越小，因此静态容积法要求标准容器的体积v 足够大：同时需要有一 稳压源以保持系统的压力稳定。这种检定方式占地面积比较大，基础设施投资高，但其检定精 度高1 2 “，般均能优于0 0 5 。 由丁本系统是在原有装置的基础上进行的改造，原有的基础设施完好，因此我们采用了这 流量计检定系统自动化开发研究 种低成本、高精度的静态容积法检定方式。 1 3 目前流量计检定装置的研究现状 检定系统中的液体由于受阻且流动，始终处于流动或不稳定状态下，因而液体本身不能作 为标准的实体来进行量值传递，其量值的传递都是借助于测量流量的装置，这种担任量值传递 任务的装置，称为流量标准装置。 卜3 1 国外流量检定装置的概况： 1 美国国家流量标准研究所【2 3 1 该研究所主要研究气体和液体流量装置，该研究所的水流量检定装置作为美国最高标准， 用于量值传递和科学研究，所采用的方法是秤量法。其主要技术指标如下所示： 称量范围：0 6 3 0k g s ( 2 2 6 8 m 3 h ) 试验段流量范围：8l m i n 3 8 0 0 0l m i n 试验段管径：岳2 5 c m 谚4 0 c m 试验压力范屡( m p a ) ：1 0 0k p a 1 1 0 0k p a 试验温度范围：常温 装置的精度等级：0 1 3 级 试验表种类：差压式流量计、涡轮流量计、超声波流量计和电磁流量计等 该检定装置的特点是：无水塔，泵直接循环。 2 日本筑波计量研究所的标准流量检定装置【2 4 】 该研究所的水流量标准检定装置的注水箱容积1 4 4 m3 ，共有4 条检定管道( 口4 0 0 、口 5 0 0 、口9 5 0 、让1 1 0 0 ) 。管道内部用环氧树脂涂刷，外侧用绝热材料隔热。下游侧设电磁流量 计以作为调节流量用测量仪表。基准器用5 0 t 的秤和l o k l 的基准容器。当最大流量为 3 0 0 0 m3 h 时，装置精度在0 i 以内。它是作为国家标准和用于科研。 该检定装置的特点：用溢流( 水塔) 作恒压水源，流量稳定；泵启动后一小时水温的变化 非常小；校准流量计的精度等级是0 1 级；换向器设有可变喷嘴，光电控制换向器和计数器 校准水流入时间，换向器切换时间在0 3 秒以内，同一流量换向不对称性在0 0 5 秒内。 3 意大利计量研究所( i m g c ) ( 2 5j 该研究所的装置作为国家一等标准，装置在恒温恒压条件下工作。测量采用静态容积法和 称量法。在中等流量范围内重复性标准误差小于1 2 1 0 一。主要技术指标如f ： ( 1 ) 流量范围：0 0 5 7 4 k g s ( 2 ) 水塔高度：1 3 m ( 3 ) 水池容积：4 0 m 3 ( 4 ) 检定台位：啦5 0 0 、隹3 5 0 、让2 5 0 、口15 0 4 河北工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 调节阀：采用蝶阀 ( 6 ) 总误差： 5 x l o 。( 置信度9 9 ) 4 英国工程研究所( n e l ) ： 它作为英国的最高标准，采用的是称量法，特点是每个称量容器都安放在由机械秤和电子 秤结合而成的双重称量装置上【2 “。主要技术指标如下： ( 1 ) 试验管口径：1 2 m m 7 6 0 m m ( 能检的流量计口径) ( 2 ) 最大流量：5 0 4 0 m3 h ( 3 ) 称量容器：1 t 、5 t 和5 0 t 。 ( 4 ) 总系统的容量：5 4 5 m 3 。 ( 5 ) 装置精度：0 2 级。 1 - 3 - 2 国内流量检定装置的概况； 1 浙江省质量技术监督检测研究所2 7 】 该研究所在1 9 9 3 年由当时的浙江省计量测试技术研究所和浙江省产品质量检验所合并而 成，目前主要检测设备有公称口径3 0 0 m m 以下的静态水流量标准装置、水表检定装置、2 0 0 0 l 以下动静态钟罩式气体流量标准装置、流量二次仪表检测装置，其静态水流量标准装置如表 i 1 所示： 表1 1 静态水流量标准装置 t a b l e1 1c a l i b r a t i n ga p p a r a t u so ft h es t a t i cw a t e rf l o w 型号规格 中5 0 中1 0 0中1 5 0 中3 0 0 装置的不确定度6 ( ) ( p = 9 5 )0 0 5 0 0 5 装置的稳定性 0 10 1 试验段公称通径范围d w ( m m )5 0 、8 0 、1 0 0 1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 试验段流量范围q ，( i l l s h ) 最大流量2 0 0最大流量1 0 0 0 试验压力范围( m p a )0 i 0 6 ( 可调)0 1 0 4 ( 可调) 试验温度范围( )6 3 2 ( 不可调) 试验表种类涡轮、旋涡( 涡街) 、电磁、超声波等流量计 测量原理容器稳压法，静态容积法 2 ，国家水大流量计量站【2 8 1 水大流量计量站原为“机械工业部流量仪表测试中心站”，它是国家投资建立的国家最大 的流量仪表测试基地。该计量站拥有各种类型的流量标准装置数十套，是国内介质较全，口径 较大的流量计检定、校准、检测机构，承担全国水流量的量值传递、检定等任务。该计量站的 静态容积法水流量装置的主要技术指标如下： 水塔总高度：2 7 m 水塔总容量：5 0 m 3 贮水池容量：1 0 0 m 3 流量计检定系统自动化开发研究 水泵机组：5 5 k w2 8 0 m 3 h 三台；5 5 k w9 0 m3 h 一台 测量管径d ( m m ) ：d n l 5 一d n 3 0 0 流量范围q ，( m 3 h ) ：0 0 1 1 2 0 0 准确度等级：0 1 级 试验表种类：速度式流量计，差压式流量计等 3 北京能源研究所【2 9 】 北京能源研究所的静态容积水流量标准装置，是国内公认的领先项目，该检定装置的建立 主要是为了进行量值的传递、科研测试、流量仪表仲裁以及国际间比对等工作。装置检定能力 以检定涡轮流量计为主，同时兼顾电磁式流量计、差压式流量计和转子式流量计，换向器采用 电动气阀控制的开式换向器。该装置的主要技术指标如下： 水塔高度：3 0 m 换向时间： 2 0 0 m s 正反行程差； 2 0 m s 管道口径：口5 0 n c2 5 0 流量范围：4 1 2 0 0 m 3 h 装置精度：0 1 级 该装置的特点是：直管道特别长，调节阀采用v 型球阀。 4 上海工业自动化研究所3 0 】： 该装置的目的是为了校准各种流量计及各种流量计的试验研究装置，参加国际上流量装置 和流量计的比对试验，故而要求比较高，水流量装置实验室共有9 个台位。 试验管径：c5 0 e5 0 0 水塔容积：5 0 0 m 3 高度：约3 0 m 换向器型式：小口径台位采用气动活塞式换向器，大口径台位采用裤衩摆动式换向器。 装嚣精度：o 2 级。 5 核工业二七二厂概况【”l ： 核工业二七二厂的流量检定装置采用了工业控制机、配套仪表及接口连成一体进行实时的 数据采集，从而处理得到的检定结果，该检定装置的应用软件采用t u r b oc2 0 编译，检定装 置采用调节阀进行流量大小和流量稳定性的调节1 2 ”。 检定仪表的口径：可检定由1 0 0 管径以下的流量计 试验表种类：电磁流最计、涡轮流量计 检定仪表最大流量：2 5 0 m 。h 测量原理：标准流量计与标准容积相结合的方法 装置准确度等级：o 2 级 6 河北工业大学硕士学位论文 1 3 - 3 液体流量标准装置的组成 综上所述，由国内外流量检定标准装置的情况来看，目前对流量的检定都采用导出的办 法：以某个稳定的流量q 向容器内连续注入液体，准确测定注入的开始时刻t - 和停止时刻 t 。，同时准确测定t = t 。一t t 间隔内容器中积存的液体数量( q 或q ，) ，即可计算出平均流 量i ”】。实现这一操作过程的整套系统包括：液体注入和贮存装置、流量产生和稳压装置、 流量计的试验段、液体流量的标准计量器具、排空装置、控制机构和信息管理系统。液体流量 标准装置系统原理框图1 4 所示： 图1 4 流量检定装置原理框图 f i g 1 4b a s i cp r i n c i p l eo ft h ef l o wc a l i b r a t i n ga p p a r a t u s 液体流量标准装置各组成部件的用途如下： 1 液体注入和贮存装置：用以贮存试验介质，并将介质送入流量产生和稳压装置中，如： 离心水泵，水池等。 攫 2 流量产生和稳压装置：保证在管道的试验段能产生所要求的稳定流量，如：水塔，稳压 容器等。 3 流量计的试验段：包括安装流量计的前后直管段在内的液体流动管道，以及伸缩器、 整流器等。 4 液体流量的标准计量器具：用于测量在某段时间内流过流量计的液体量如工作容 器、秤量器、温度变送器、液位变送器等。 5 排空装置：用以排空工作容器、称量容器、流量计试验管道中的水介质，并将其送回贮 存装置，如：排水阀。 6 控制机构：调节试验管中液体的流量，以保证流量检定装置按照预定的程序运行。如： 换向器、调节阀等。 7 信息管理系统：用以测量检定时间间隔和流量计脉冲数，保证液体量、时间、被检流量 计的输出信号的同步计量，实现自动检定、数据存储、打印报表等功能。 7 流量计检定系统自动化开发研究 1 4 本文的主要研究内容 本课题的研究内容是采用静态容积法对流量计进行自动标定，主要完成以下的工作： 1 通过比较，确定系统整体方案以及系统的输入和输出之间的关系，同时由于本系统是在 原有装置的基础上进行的改造，因此必须根据客户的要求对系统设计的经济性、可靠性和精度 进行考虑。 2 根据系统软件要实现的功能，在l a b v i e w 开发平台下完成软件设计，实现对速度式、 差压式和容积式流量计的检定。 3 作为计量检定装置，精度是一项最为关键的指标，因此需要对影响检定系统精度的因素 进行分析。 4 分析实验结果，论证检定系统的稳定性和可靠性。 8 河北工业大学硕士学位论文 第二章流量计检定系统总体方案设计 2 1 检定系统的检测要求 1 被检定仪表 被检表种类比较多，根据被检表口径的不同分为中5 0 、中8 0 、中1 0 0 和中1 5 0 四种口径， 检定系统要求用一套控制系统检定四种不同口径的流量计；根据被检表输出信号的形式又分为 脉冲和模拟两种类型，脉冲信号的仪表输出的信号又分为规则的和不规则的，模拟信号有二线 制4 2 0 m a 、四线制4 2 0 m a 、0 1 0 m a 、2 1 0 m a 以及0 5 v 、l 5 v 、2 1 0 v ：根据被检表 供电电源的不同又分为d c 6 v 、d c l 2 v 和d c 2 4 v 。 2 辅助控制功能 在检定过程中，应按照液体流量的检定规程对多个流量点进行检定，采用流量调节阀对流 量进行控制，调节阀的动作是通过电信号控制的；系统温度的变化会引起检定精度误差，必须 对其进行误差修正，因此需要对被检流量计、大工作容器和小工作容器的温度进行检测：在检 定过程中需要控制电磁阀，以完成工作容器的放水和底阀的关闭；控制换向器，在检定时使换 向器工作在工作容器；控制定时，计数器，保证测量与计时同步进行。 3 系统软件要求 系统软件要求有友好的界面，由于本系统的操作者是操作工人，因此软件采用向导式结 构，操作人员无须进行专门的培训就能独立操作：强大的数据管理功能；为加强系统使用的灵 活性，系统设计成自动控制和手动控制两种工作方式；由于不同的检定管道有不同的容器系 数，因此需要设计4 个检定通道。 2 2 检定系统的组成和工作原理 2 - 2 1 检定系统的组成 流量计检定系统在组成上可分为稳压系统、自动控制系统和信息管理系统等子系统。 在检定过程中，检定管道中的水流虽无较大波动，但会在设定的流量值域附近有细小的波 动，进而会影响流量计检定的精度。因此在检定过程中，必须保证流量的稳定。由于本装置是 在原有装置上进行的改造，考虑其经济性的要求，决定采用原有装置的稳压系统：在稳压源上 采用稳压容器，并利用流量调节阀来调节流量的大小，稳压容器能维持保持系统压力的恒定 ”3 ，“1 ，从而可以提高被检流量计的精度。在整个检定过程中，要求稳压容器内的水处于溢流 状态，以保证系统压力不变，从而使流量稳定。 q 流量计检定系统自动化开发研究 流量检定过程的自动控制则是指流量、温度等参数的检测和阀门、换向器等执行机构的动 作都由控制系统控制，流量调节是通过被检流量计的流量反馈，调节执行器的开口程度进而达 到调节流量的目的。信息管理系统将采集系统的输入信号，通过规定的算法对采集的数据进行 分析处理。 按检定系统的要求，设计了四个检定通道，由于篇幅所限，下面仅介绍一个通道，系统的 构成如图2 1 ： 大工作容 阀 排水阀 图2 1 系统结构示意图 f i g 2 1s y s l e ms t r t l c t u r ec h a r t 2 - 2 2 检定系统的工作原理 按要求将被检流量计安装到装置上，启动液体循环系统，再根据本次检定点的流量值，选 择一个合适的量器作为工作容器。检定前应使三通阀工作在非工作容器，用调节阀将流量调节 到所需的流量点。待流量稳定后，将三通阀从非工作容器切换到工作容器从而使水流流入工作 容器中。三通阀换向的同时启动定时，计数器进行计时和计数，当液位达到一定高度时，切换 三通阀，使水流由工作容器切换到非工作容器，在三通阀换向的同时停止定时计时器。此时 记录定时计数器所显示的测量时间t 和在测量时间内容器存储的液体总量v ，即可计算出平均 流量q 。，计算公式如下： 标准量器名义容积：= k + 足h ( 2 1 ) 实际容积：v = 1 + 届p 一2 0 ) 】 ( 2 2 ) 标准体积流量：q 。= 坠二型3 6 ( 2 3 ) 1 0 河北工业大学硕士学位论文 在实际测量过程中，对于流量的计算我们所采用的是积分的算法。对于输出脉冲信号的仪 表，频率与单位脉冲流过的液体量成比例，其平均流量如式( 2 4 ) 所示： 矿 口脉冲= k 肺冲孑 ( 2 4 ) v 模拟信号的仪表分为差压式和电磁式两种，它们的输出信号有电流和电压两种形式。 如果输出信号为电流，则差压式流量计的瞬时流量与差压信号的平方根成比例，而差压信 号与流量计所输出的电流信号成比例，其表达式如式( 2 5 ) 所示： 圹 ，f g 差压= k 差压一 电磁式流量计的瞬时流量与输出的电流信号成比例，表达式如式( 2 6 ) 示： ，出血 g 电磁= k 电麓_ 如果输出的是电压信号，则瞬时流量与差压式流量计输出的电压信号成比例 ( 2 7 ) 所示： f 。，- q 蜘& g 差压= k 差压_ ( 2 5 ) ( 2 6 ) 表达式如式 ( 2 7 ) 电磁式仪表的瞬时流量与采集的电压信号成比例，如式( 2 8 ) 示： g 椭= 吒硅p a u _ a t ( 2 8 ) 上式中冲、如压、磁、如压和如麓均为常数，按一般的检定原理，这些常数就 是检定的对象，而实际情况与此略有区别。 对于不同的流量仪表，需检定的参数不同，由于时间的限制，我们只对输出脉冲信号的流 量仪表进行了较多的实验。对于输出脉冲信号的仪表，我们所检定的是仪表系数或仪表常数。 仪表系数( 速度式流量计) ：单位体积的流量所包含的脉冲数 吒2 矿 ( 2 9 ) 仪表常数( 容积式流量计) ：单位脉冲所流过的液体体积量 2 = 万v ( 2 1 。) 对于速度式流量计，其随机误差为 噘= 形 ( 2 1 i ) 七 托脬 2 + ( 期2 ( 2 12 ) 流量汁检定系统自动化开发研究 对于令；这项误差是由国家专门的计量机构检定的，其误差1 ，对于这项误差的来源 有两个：一个是定时，计数器在检定时仅仅记录检定时问内完整的脉冲方波信号，而不计算残 缺方波的脉冲信号，因而造成了计量误差；另外在换向器打开或关闭时存在计数误差，因此 毡n =丽 2 3 方案设计 ( 2 1 3 ) 为了满足宏业公司对检定系统的经济性、可靠性和其实用性的要求，我们从系统设计的各 个方面进行了考虑，尤其在元器件的选取上，经过分析比较，最终确定了满足要求的检定系 统。 2 3 1 控制系统 本控制系统的控制特点是：系统对执行机构的控制比较简单，对数据的处理比较繁琐，对 信号的采集速度要求不是很高。根据控制系统的这些特点并结合系统设计的功能要求，我们提 出了以下几种改造方案： 1 采用单片机控制 单片机系统结构简单、采集速度快、价格低、体积小，但数据处理比较弱，界面不友好同 时抗干扰能力较差，而且采用一台单片机无法实现检定功能要求，若用多台单片机进行控制， 则检定系统的可靠性不高。 2 采用p l c 控制 可编程控制器( p l c ) 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的 一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易丁| 编 程、使用方便等优点1 ”j 。但由于该系统需要控制的检定参数和被检仪表的信号类型较多，单 纯采并jp l c 控制很难达到检定系统的要求。 3 采用工控机和p l c 控制 该控制方式要求每个检定管道都有一台可编程控制器进行控制，在总控室还有一台工控机 机，与各可编程控制器之间进行通讯，对被检流量计的运行参数进行修改，对各个检定管道的 检定状态的监控在丁控机上进行。 工控机作为上位机主要承担系统管理任务，例如各种数据和信号的检测，存储，分析，计 算处理；查看监测各种事件，记录，证书查阅及打印等“l ，而系统的一切控制任务的实现， 动作的执行，控制模式的输出都由下位机来执行，这种控制方式可靠性好，但成本较高。 4 采用工控机并配备多功能数据采集卡进行控制 这种控制方式可以多个检定管道共用一套控制系统，该控制方式以t 控机作为上位机，多 1 2 河北工业大学硕士学位论文 功能数据采集卡和简单的控制电路板作为下位机。系统通过多功能数据采集卡和电路控制板之 间的交互信息，实现对执行机构的控制和输入信号的采集，由工控机对采集的信号进行存储、 分析并计算处理，输出结果。该控制系统有友好的界面，操作与监视较为方便，而且成本比较 低，可靠性比较高。 通过上述四种方案的分析比较，考虑到系统经济性的要求，我们决定采用方案4 。 2 - 3 2 数据采集卡 根据系统检定的要求，输入部分系统需要采集5 路模拟量，6 路数字量；输出部分系统输 出2 0 路数字量以及1 路模拟量。针对系统要求，比较了下列几种数据采集卡，具体数据见表 2 1 所示： 表2 1p c i - 8 33 3 、p c - 63 20 和p c - 6 3 13 技术参数的比较 t a b l e2 1p a r a m e t e rc o m p a r i s o no fp c i - 8 3 3 3p c - 6 3 2 0 a n dp c - 6 3 1 3 、 采集卡 p c i 8 3 3 3p c 6 3 2 0p c 6 3 1 3 参数、 输入通道单端1 6 路单端8 路单端3 2 路双端 双端8 路1 6 路 模拟 o v 1 0 v ：一0 v 5 vo v 1 0 v ；一5 v ， 输入 输入信号范围、 5 v + 5 v+ 5 v a d 转换分辨率1 2 位8 位1 2 位 转换速度 1 0 i ts1 1 6ps1 0ps 输出通道2 路2 路( 互相独立) 2 路( 互相独立) 分辨率1 2 位8 位1 2 位 电压方式：电压方式：电压方式： 0 5 v ： 0 5 v ； 0 5 v ：一2 5 v 一2 5 v +2 5 v + + 2 5 v ： 模拟 0 1 0 v 一5 v + 输出 25 v ：2 5 v 5 v 输出范围 0 1 0 v 一 5 v + 5 v 电流方式：电流方式：电流方式： 0 l o m a ：0 1 0 m a ：4 0 1 0 m a ：4 2 0 m a 4 2 0 m a2 0 m a 数字量可编程d i d od i ：1 6 路共2 4 路，一片 输入输d o ：1 6 路8 2 5 5 出部分1 6 位计数定时3 路一片3 路，一片8 2 5 3 器8 2 5 4 p c i 一8 3 3 3 、p c 一6 3 2 0 和p c 一6 3 1 3 数据采集卡的输出均有电压和电流两种形式，但由于 p c 一6 3 2 0 采集卡没有数字量输入输出部分，而p c r 一8 3 3 3 采集卡的数字量输入输出部分不能满 足检定系统的要求，故而这两种采集卡均需要再配备其它的采集仁才能实现系统的检定功能， 这就要增加成本，因此不能满足系统经济性的要求，所以我们选择了一个功能齐全的采集卡 流量计检定系统自动化开发研究 p c 6 3 1 3 ，该采集卡能够满足检定系统的所有要求，在下章中将对该采集卡的性能进行详细 的介绍。 2 3 3 软件开发工具 对