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东北大学硕士学位论文摘要 水流量标准装置的设计与实现 摘要 流量标准装置是流量单位量值统一与传递的标准，同时也被广泛用作流量仪表的实 验装置，它的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节。对于流量计制造企业， 有大量仪表检定工作和新产品研制过程中的实验工作，不仅要求流量标准装置有足够的 准确度和可靠性，还希望能有比较高的检定效率。本论文针对工业应用场合的特点，研 究并设计了一套组合式水流量标准装置。该装置具有检定效率高、成本低和自动化程度 高的特点，可以实现各种速度式流量计的检定与实验研究。 目前国内外广泛采取的水塔式标准装置存在不可避免的节流损失，从而造成能源浪 费。针对这一问题，本文提出基于变频调速和稳压容器结合的稳压方式，通过对采用变 频调速技术的流量调节系统的性能和误差来源的分析，计算出系统的控制参数和稳压容 器的设计参数。在此基础上完成了系统的硬件和软件部分设计，包括：硬件选型与实现、 现场布线、上位机监控等。系统采用了模糊p i d 控制算法，满足了标定控制系统高效、 参数多变等的要求。上位机采用西门子w i n c c 6 0 对系统监控，界面友好、完善。 实验证明：本文提出的变频调速和稳压容器结合的稳压方式实现了组合式流量标定 系统的预定要求，从标准流量检定装置的扩展不确定度的评定结果可以看出，该方式完 全可以代替水塔法稳压。从经济上和技术上都可以体现出该鉴定方法的优越性，具有广 泛的应用前景。本系统最终得到了辽宁省技术监督局的认证，为权威专家和部门认可。 关键词：流量标定；流量标准装置；静态质量法；标准表法；交频稳压；模糊p i d 一一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fw a t e rf l o ws t a n d a r df a c i l i t i e s a b s t r a c t t h ef l o wr a t es t a n d a r df a c i l i t yi sn o to n l yt h er e f e r e n c eo fu n i f y i n ga n dt r a n s f e r r i n gt h e f l o wr a t eu n i t ，b u ta l s ow i d e l yu s e da st h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fi t i sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p m e n to ff l o wr a t em e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o n t e c h n o l o g y t h e r ea r eal o to fw o r k so nm e t e rc a l i b r a t i o n , a n dt e s tt a s k sd u r i n gn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n ti nt h ec o m p a n yo ff l o wm e t e r sm a n u f a c t u r e s o ，t h ef l o wr a t es t a n d a r df a c i l i t y s h o u l db en o to n l ye n o u g hi na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y , b u ta l s oi ts h o u l db ee f f i c i e n t i nv i e w o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf i e l d s ac o m b i n a t i o nt y p ew a t e rf l o wr a t e s t a n d a r df a c i l i t yi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i s w i t ht h en a t u r eo fh i g he f f i c i e n c y , s m a l lc o s ta n dh i 出d e g r e ea u t o m a t i o n , t h i sf a c i l i t yi sa b l et oc a l i b r a t eo rt e s td i f f e r e n t v a r i e t i e sv e l o c i t yt y p ef l o wm e t e r s t h ed i s a d v a n t a g eo fw a t e rt o w e rs t e a d yp r e s s u r es u p p l yw h i c hi sw i d e l yu s e dd o m e s t i c a n da b r o a di st h el o s so f t h r o t t l ew h i c hc a nn o tb ea v o i d e d , a n dc o n s e q u e n t l ye n e r g yw a s t e t o s o l v et h i sp r o b l e m , w eu s et h en e wp r e s s u r es t e a d ym e t h o d ：f r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dp r e s s u r e s t e a d yv o l u m e d e s i g nap a r a m e t e rb ya d j u s t i n gt h ea n a l y s i st h a tt h es y s t e m a t i cf u n c t i o na n d e r r o rs t e mf r o m , c a l c u l a t i n go u tt h es y s t e m a t i cu n d e rt h ec o n t r o lo fp a r a m e t e ra n ds t a b i l i v o l t c o n t a i n e rt ot h er a t eo ff l o wa d o p tt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y d e s i g n , i n c l u d et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r th a v eb e e na c c o m p l i s h e ds y s t e mh e r eo nt h e b a s i s ：n h a r d w a r ec h o o s e sa t y p ea n dr e a l i z a t i o n , s c e n ea r r a n g e m e n to fw i r e p cm o n i t o r a n dc o n t r 0 1 s y s t e mh a sb e e na d o p tt of u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m , s a t i s f i e dt h eh i 曲- e f f e e t c a l i b r a t i n gn a v a r , p a r a m e t e rc h a n g e f u lr e q u e s tw a i t i n g t h ep cm o m t o ra n dc o n t r o la d o p t s i e m e n sw m c c 6 0i sf r i e n d l yt os y s t e ms u p e r v i s o r ye n n l x o l ，t h ei n t e r f a c ei sp e r f e c t d e m o n s t r a t i o n ：t h es t a b i l i v o l tw a yb e i n gt i e dh a sr e a l i z e df r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e l l r e g u l a t i o na n ds t a b i l i v o l tc o n t a i n e rb r o u g h tf o r w a r db yt h em a i nb o d yo fa b o o kc o n s t i t u t i n g d y a d i cr a t eo ff l o wc a l i b r a t i n gs y s t e m a t i cf i x i n gi na d v a n c ed e m a n d i n g ，t h er e s u l te x a m i n i n g a n dd e t e r m i n i n gt h ed e v i c ee x p a n s i o ni n d e t e r m i n a c ya p p r a i s i n gf r o ms t a n d a r dr a t eo ff l o w h a sb e e ni tc a nb es e e n , b ew a y st u r nt ob ea b l et or e p l a c eaw a t e rt o w e rt of o l l o ws t a b i l i v o l t c o m p l e t e l y f r o mb e i n ga b l et oe m b o d yo u tt h es u p e r i o r i t ys h o u l di d e n t i f ym e t h o do n e c o n o m ya n do nt h et e c h n o l o g y , h a v et h ep r o s p e c ta p p l y i n gb r o a d l y s y s t e mh a sg o t i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a t t e s t a t i o no fl i a o n i n gp r o v i n c eb u r e a uo fq u a l i t ya n dt e c h n i c a ls u p e r v i s i o nu l t i m a t e l ya n d h a sb e e na p p r o v e df o rt h ea u t h o r i t ye x p e r ta n dt h eb r a n c h k e y w o r d s ：w a t e rc a l i b r a t i o n ；w a t e rf l o ws t a n d a r df a c i l i t y ；s t a t i cw e i g h tm e t h o d ；m a s t e rm e t e r m e t h o d ；仔e q u e n c yc o n v e r t e rs t e a d yp r e s s u r e ；f u z z yp i d i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名既齑茵 签字日期：3 卯7 弓工 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名玩伯呜导师签名：刊优 签字日期山，7 弓2 签字日期： 弘7 3a ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早z 百下匕 1 1 流量标定的意义 在工业企业中需要进行物质流量和数量的测量的场合随处可见，流体流量测量对于 节约能源、防止大气污染和生产过程自动化是必不可少的。随着生产技术的发展，对流 体流量和总量的计量和测试提出了越来越多、越来越高的要求，特别在注重节省能源、 提高能源利用率的今天，流量计量和测试的重要性也就更加突出。而微电子技术的发展， 带动流量计向智能化方向发展极大的促进了流量测量和标定。 各种物质流量和数量的准确测量，对国民经济各个部门有如此重大的现实意义。因 此，各种流量测量仪表，尤其是作为经济核算依据和量值传递的高准确度的标准流量计， 从研制到投入使用之前，就必须对其特性进行细致、系统的研究。而这些试验研究工作， 都需要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 对流量标准装置的精度、可靠性、智能化程度提出了新要求。 然而，影响流量计特性因素很多，除了仪表本身的设计参数和结构之外，液体的流 动特性、工作状态等都有着密切的关系。同时，由于现场流量计的使用条件千变万化， 建立完全和现场条件一致的流量标准装置是很困难的。因此，必须选定其共性条件，建 立标准装置，在运用理论实际相结合的方法，解决使用条件的问题。 各种流量测量仪表在研制工作中有大量实流实验的工作，以便充分掌握仪表的动态 特性，进一步验证或改进设计。在流量计的生产过程中需逐台检定，以确定流量计的仪 表系数、不确定度、重复性和量程范围等技术指标。这些工作都需要在流量标准装置上 进行，因此，流量标准装置的研究和应用是流量计量和测试技术发展的基础。 由此可见，流量标准装置的研究和应用是流量计和检测技术发展的重要环节，所以 多少年来一直得到世界各政府和组织的重视。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标准装置，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，目前流量标准装置的研究和建立已有了很大的发展，但在大流量、特种介质 等流量装置研制上还是遇到了不少的困难，这些困难有的是技术上的，有的是经济上的。 由于投资大，影响因素多，因此，想要解决问题还需要研究其他方法，如标准表法、速 度面积法等正越来越受到人们的重视，尤其是研究高准确度的标准流量计是流量测试技 术的一个很重的发展方向。 一】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 流量检定系统的国内外研究现状 标定系统中液体由于受压而流动，始终处于运动或不稳定的状态，因而液体本身不 能作为一标准的实体来进行量值得传递，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【l 】。 由于当前的技术还很难按流量定义直接做出流量单位的基准器，通常采用导出的办 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f ：同时准确测定注入时间a r = f ：一f 1 内容器中积存的液体的数量q ，即可算出平均流 量。实现之一操作的一整套系统，就是复现流量单位量值得基准和标准，这套系统包括： 液体源( 一般为水、空气和油以及输送装置) ；稳压装置( 水塔或稳压容器) ；管路系统； 计时器和称量器( 或标准容器) 以及换向器等附属设备。该系统可以使两个流量计串联 接入比较示值，也可以用若干台标准流量计并联与被检流量计串联接入比较示值。 液体流量标准装置系统原理框图如下： 图1 1 液体流量标准装置系统原理框图 f i g 1 1b a s i cp r i n c i p l eo f t h ef l o wc a l i b r a t i n ga p p a r a t u s 液体流量标准装置系统原理框图如图1 1 所示【l 】，框图内各组成部件用途如下： ( 1 ) 液体注入和储存装置：用于储存试验介质，并将介质送入流量产生和稳压装 置中； ( 2 ) 流量产生和稳压装置：保证管道的试验段能产生所要求的稳定流量； ( 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：用于测量在某段时间内流过流量计的液体量，如标 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 准容器，标准表，衡器和密度计等； ( 5 ) 计时器和频率计：用以测量时间间隔或者流量计的脉冲数； ( 6 ) 同步控制器：用以保证液体量、时间和被校流量计的输出信号同步测量，如 计时控制器等； ( 7 ) 控制装置：保证液体流量标准装置按照预定的程序运行； ( 8 ) 辅助测量装置：包括在需要时对试验介质参数( 如密度，温度等) 测量的各 种装置； ( 9 ) 排空装置：用于排空工作量器、称量容器、流量计试验管路中的水介质，并 将其送回储存装置。如防水阀门，排水沟等； ( 1 0 ) 记录和数据处理装置：用来及时记录试验数据并进行处理，以得到试验结果。 流体流量标准装置的分类可根据检定开始和结束时流体流动情况，将液体流量标准 分为静态法和动态法两类。静态法是标定开始前和标定后流量计的流量始终不变，流体 通过换向器流到容器或者秤外；检定期间的流体总量是在流体静止的状态下读取的；动 态法是在流体流到容器或者秤的过程中，直接测出某时间间隔内流体量的增量以求得流 体量的方法。 流量测量属于动态测量，而动态测量静态测量要复杂的多。动态测量有以下特点： ( 1 ) 被测介质处于不停的运动中，而且由许多参数决定的运动特性( 管道内流速 分布、压力、密度分布、流体漩涡、紊流度和脉动情况等) 影响着流量计的示值。 ( 2 ) 被测介质和仪表的特性处于复杂的和不同的相互关系之中。 ( 3 ) 大部分被测介质的物理化学和使用条件相同，情况复杂。 由于流量测量的动态特性以及液体介质的复杂性，对于不同流量计检定都有不同的 具体要求，国内外对流量计检定都有不同的研究。流量计检定工作在流量计的使用过程 中，间隔适当期限就需要进行一次。在流量计检定的情况下，为了保证流量计的测量精 度，这就必须要求作为基准的标准流量计精确等级要高于被检流量计的精度。同时在标 定的过程中，标准流量计的校验装置的测量可靠性和稳定性要求也相应提高1 2 1 。 现代工业中流量的测量，采用了各种各样的方法，应用于各种不同的场合和各种不 同的测量目的。这些测量方法基于不同的测量原理，使用各种不同的输出信号变化来反 映流体流量的变化。静态质量法液体流量标准装置、静态体积法液体流量标准装置、标 准表法液体流量标准装置只是在标准工作量器的选择上不同，原理一致，在现实生产和 科研中得到广泛的应用。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 随着电子技术的迅速发展，微电子和微机技术应用范围不断扩大。微机处理在流量 标定中主要有以下应用：第一，微机用于标定过程的自动控制；第二，微机用于鉴定结 果的数据处理。目前，微机还主要是应用于数据处理，包括数据采集、精确计算、结果 输出、智能评判等。但是，将微机应用于标定过程的自动控制和监控显然能发挥更重要 的作用。流量鉴定过程的自动控制是指流量、温度、压力等各参数的监测和阀门，换向 器、水泵等执行机构的动作都是由微机控制的自动测试系统。所以在流量标定系统中， 逐步开始大量使用微机或者其他智能控制器进行技术改造，提高生产率 3 1 。 为了保持液体通过流量计管道时维持恒速流动，首要条件就是有一个恒定的压力 源，压源与流速稳定的关系如实验图1 2 所示。目前国内的标定系统主要采用的稳压方 法是溢流法，该方法可以很好的保证流体恒速流动，但是需要修建大型的水塔，费用惊 人，而且管径越大，流量计的标定费用也越大，能源浪费严重。 钟一0 卜1 6i e ：0 9 ：1 55 7 81 6 ：1 0 ：1 55 7 81 6 ：l l ：1 5 ，5 7 81 6 ：1 2 ：1 5 ，5 7 8 ”“”i “，”， f ”rp ，y ”“ ， 眇一0 ：一 0 ：8 弼辑g 女：l e ! g ：8 il 誉7 ：巍1 2i 錾琴 图1 2 压源波动与流速稳定关系图 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i po f p r e s s u r es o u l - c ca n df l o ws p e e d 1 3 本文的主要研究工作 本文研究的内容是以沈阳兰申电器有限公司的标定系统为研究对象，沈阳兰申电器 有限公司是一家专业生产流量计的高新技术产业，其主要产品电磁流量计精度高、稳定 性能好，为国内外计量单位和用户所认可，填补了国内生产电磁流量计的空白。目前， 一a 一 了0 0 0 0 o 0 0 o 0 0 o 0 压 吼 毖 砧 “ f ； 惦 盯 罢8 埠 m ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 大部分流量计公司对出厂的流量计进行测试和校准基本上是通过模拟信号源的方法，这 种方法简单，易操作，对出厂的电磁流量计可以进行基本的检查，但是，信号源不可能 模仿出现场那样的复杂、多变条件；而且随着产品的性能改进和生产量的增加，到现场 试验的方法变得越来越不可行，所以提出了建立自己的标定系统的方案。 在系统机械设计已完成的条件下，研究与实现了系统的电气和控制部分，完成了“沈 阳兰申流量标准装置”，该装置稳定，精确，具有良好的人机界面，为现场调试提供了 很大的帮助，并且于2 0 0 6 年l o 月份得到辽宁省技术监督局的认证。 本课题完成了上述水流量标准装置的设计及控制系统的安装和调试工作，主要工作 内容如下： ( 1 ) 流量装置的系统方案设计： ( 2 ) 流量装置各组成都分的选型、设计与计算； ( 3 ) 稳压容器和变频调速系统的设计； ( 4 ) 通过w i n c c 编程实现具有流量装置检定、多种仪表检定、数据存储、历史数 据查询、报表打印等多种功能控制软件； ( 5 ) 计算机控制系统硬件部分的设计； ( 6 ) 控制算法模糊p i d 控制器在标准装置中的应用； ( 7 ) 系统调试。 1 4 本文创新点 ( 1 ) 将变频调速技术成功地应用于水流量装置并进一步提出了改进的措施。 作者采用“变频循环模式”构建了本装置的变频调速系统，在整个检定流量范围内 实现了流量调节过程的变频控制。 ( 2 ) 模糊p 1 d 控制器针对流量标准装置的应用。 1 5 本文组织结构 本文在第二章首先对流量标定方法进行了综合分析，确定了本系统的设计方案，然 后对其可行性进行了综合分析。 第三章着重介绍了流量标准装置的结构、设计思想、设计中采用的关键技术等。其 中包括了原理部分分析、电气部分设计、软件设计以及上位机监控软件的设计。 第四章介绍了控制系统中采用的控制算法，其中包括：控制算法的分析与对比、控 一，一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制算法的仿真、控制算法在实际标定过程中的作用。 第五章根据j j g1 6 4 2 0 0 0 液体流量标准装置检定规程对标准装置的不确定度进 行了分析。 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 第二章流量计标定方法分析 2 1 检定系统的检测要求 2 1 1 被检定仪表类型与辅助控制功能 被检表种类型较多，根据被检表口径的不同分为d n 2 5 、d n 5 0 、d n l 0 0 、d n l 5 0 、 d n 2 0 0 、d n 3 0 0 和d n 5 0 0 等多种口径，检定系统要求控制系统能检定不同口径的流量 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分为 频率输出和总量输出，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 、1 - 5 v 、2 - 1 0 v 等。 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；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【4 】。 2 1 2 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。 2 1 3 标准装置检定条件要求 装置的扩展不确定度应不大于被检流量计最大允许误差的1 2 ； 每次测量时间应不少于装置允许的最短测量时间，且对a 类流量计应保证一次检定 中流量计输出的脉冲数的测量结果由分辨率带来的相对不确定度不大于被检流量计重 复性的1 6 ； 当检定用液体的蒸汽压高于大气压时，装置应是密闭式的； 每次检定前应将整套检定系统应预热。装置的给出流量的稳定度应优于- - + 0 5 ，检 定准确度等级优于o 5 级的流量计，检定用标准装置的给出流量的稳定度应优于- - 0 2 ； 检定用液体一般可采用不夹杂空气和磁性颗粒，无其他可见颗粒、纤维等物质的相 - - 7 - - 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 当清洁的水。如用其他液体，则应确知或根据需要在试验前后立即对其测定其类型( 包 括商业名称) 、粘度、密度和电导率，并在检定证书中说明； 检定中应始终确保流体充满试验管道，并为单相稳定无旋涡流体； 检定用液体在管道系统和流量计内任一点上的应高于其蒸汽压，防止溶于液体中的 气体在管路的任何地方溢出； 检定用液体的电导率应在5 m s m ( 5 0 l as c m ) 至5 0 0 m s m ( 5 0 0 0 us c m ) 的范围 内； 检定用液体温度范围应在4 c 3 5 c 之间，在每个流量点的检定过程中，液体温度 变化应不大于o 5 ； 检定环境条件“i n ，大气环境条件应满足： 大气温度：59 c 3 5 c ； 大气压力：8 6 k p a 1 0 6 k p a 。 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。 考虑其经济性的要求，决定采用变频稳压系统；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，从而可以提高被检流 量计的精度。在整个检定过程中，调节稳压容器中的压力，以保证系统压力不变，从而 使流量稳定5 1 。 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 口程度和变频器的调节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。 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。检定前应使换向器工作在 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，将换向器从非工作 一8 一 东北大学硕士学位论文 第z - 章流量计标定方法分析 容器切换到工作容器从而使水流流入工作容器中。换向器换向的同时启动定时计数器进 行计时和计数，当衡器达到一定质量时，切换换向器，使水流由工作容器切换到非工作 容器，在换向器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g ，根据计数值可以得到累计流量q ，由此，可 得流量计单次检定示值误差： 嚣：q j - q s 1 0 0 ( 2 i ) g 重复性是衡量流量计产品质量和测量准确性的一个重要指标网。所谓重复性是指在 实际相同的测量条件下，对同一被测的量进行连续多次测量时，其测量结果问的一致程 度。在流量计的检定过程中，每个排量点一般要检定3 次以上，每次的检定结果是不一 样的，其一致程度就是此台流量计的重复性。重复性越好，则其误差带越窄，测量的结 果就越准。流量计测量的重复性可由下式算得： c 吼= 吉击喜c ，2 鼓枷 眩2 ， 墨= 三n 7 = 1 巧 2 3 屯= 亳 旺4 ， 式中：( e ) ，一一第f 检定点的( 测量) 重复性； 七一一第i 检定点的平均流量计系数； 一一第f 检定点，第_ ，次检定的流量计系数。 流量计的测量重复性为： e = 【( e ) ， - - ( 2 5 ) 2 3 标定系统方案设计 为了满足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，尤其在设计方案和控制策略的选取上，经过分析比较，最终确定了满 足要求的检定系统。 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 2 3 1 检定系统的检定对象 系统的检定对象有涡街流量计、涡轮流量计、容积式流量计、差压式流量计和电磁 式流量计。其中涡街流量计、涡轮流量计和电磁流量计都属于速度式流量计，它们都是 利用测量管道内介质流动的速度来得到流量测量；容积式流量计是利用机械测量元件把 流体连续不断地分割成单个己知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积 部分流体的次数来测量流体体积总量；差压式流量计是根据安装于管道中流量检测器件 产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。 涡街流量计是在流体中安放一根非流线型漩涡发生体，流体在发生体两侧交替地分 离释放出两串规则地交错排列的漩涡的仪表。涡街流量计分为：应力式、应变式、电容 式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。涡街流量计的优点：结构简单牢固；适用 流体种类多；精度较高；范围度宽；压损小。缺点：不适用于低雷诺数测量；需较长直 管段；仪表系数较低( 与涡轮流量计相比) 。涡街流量计是属于最新的一类流量计，但 其发展迅速，目前己成为通用的一类流量计【4 】。 涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子( 涡轮) 感受流 体平均流速，从而推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成，也 可做成整体式。优点：高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；重复性好；无 零点漂移，抗干扰能力好；范围度宽；结构紧凑。缺点：不能长期保持校准特性；流体 物性对流量特性有较大影响。涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有 机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体等。 电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流 量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测 量。优点：测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体， 如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积 流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大， 口径范围宽；可应用腐蚀性流体。缺点：不能测量电导率很低的液体，如石油制品；不 能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；不能用于较高温度。电磁流量计应用领域广 泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工 业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金 工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的 场所1 4 j 。 一1 0 东北大学硕士学位论文 第二章流量计标定方法分析 差压式流量计由一次装置( 检测件) 和二次装置( 差压转换和流量显示仪表) 组成。 差压流量计既可测量流量参数，也可测量其他参数( 如：压力、密度等) 。差压流量计 上限流量不受限制，但下限流量受范围度窄的限制，一般只工作于流量的2 5 - 3 1 p , 蝠。差 压式流量计的检测件除标准节流装置，皆需实流校准才能获得可靠、精确的流出系数。 差压式流量计从设计、制造到安装、使用都要求严格，只要其中一个环节稍加不慎都有 可能造成很大误差，差压流量计通常以检测件的型式分类，如：孔板式流量计、文丘里 管式流量计和均速管式流量计。 2 3 2 检定系统方案选择 综合如上所述的各种类型的流量计，考虑不同流量计的特征和不同口径的要求，我 们设计了组合式流量标准装置，其中包括三种标定方式： ( 1 ) 静态容积法标定方式：针对小口径的电磁流量计( 口径范围d n 2 5 - 1 0 0 m m ) ， 适合小流量的调节。系统设计结构图如下所示，系统以精简型可编程控制器西门子s 7 2 0 0 作为核心，上位机以西门子工控软件w i n c c 6 0 平台，通过o p c 协议监视整个系统的状 态和控制系统的运行与操作。 ( 2 ) 静态质量法标定方式：针对标准表的标定方式，该方式精度高，但由于需要 排空，所以标定时间长，不适合大量标定。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，我们采纳了如下方案：使用可编程控制器 为系统核心的控制系统，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；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，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，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，易于编程，使用方便。其框图如下图所示。 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 图2 1 静态质量法流量标准装置的设计 f i g 2 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f s t a t i cq u a l i t ym e t h o d ( 3 ) 标准表法标定方式：针对大口径的流量计的标定方式，标定的口径可以达到 d n 5 0 0 m m ，标定速度快，按规定4 0 s 即可标定一次。标准表比较法是用精度高一等级 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 的标准流量计与被校验流量仪表串联，流体同时流过二者，比较二者的示值，确定被检 表的误差，达到校准的目的。此方法费用低，操作简单，国家技术监督局制作了相应的 “检定规程”，颁布有j i g6 4 3 9 4 标准表法流量标准装置检定规程。装置准确度应不 低于被检表准确度的1 2 。标准表的前后直管段，一般不小于同类型普通表直管段的长 度，被校表的前后直管段，应满足表说明书要求。标准表和被校表之间连接管段的容积， 在满足直管段要求的条件下尽量小。流量调节阀一般应安装在表的下游侧，调节性能要 稳定【”。 图2 2 标准表法流量标准装置 f i g 2 2s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f s t a n d a r df l o w m e t e rm e t h o d 本系统采用的方案设计框图如2 3 所示： 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章流量计标定方法分析 图2 3 系统设计原理图 f i g 2 3s y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 3 3 影响检定精度的因素 ( 1 ) 液体温度变化的影响 液体温度的变化会引起液体的密度发生变化，从而影响到流量计的检定。因此在检 定过程中需要对工作容器和被检仪表进行实时的温度测量，保证两者的温差在一定范围 内，同时按照给出的补偿公式，对此项误差进行修正。 ( 2 ) 标准容器的误差 标准容器体积的误差是由省计量单位通过与更高精度的标准容器比对，并对其进行 修正后得出的，在进行系统精度评定时，应对该项误差进行考虑。 ( 3 ) 流量的稳定性【8 】 按照检定规程，应对被检仪表在不同流量点下进行检定，因为流量点不同时，其流 量特性也不完全相同，其差异应控制在一定范围内。在检定过程中对检定点流量的调节 是通过电信号控制执行器实现的，但由于执行器的动作与流量之间的关系是非线性的， 故而对流量点的调节采用的是逐次逼近的方法，这种方法能够很好的保证流量的稳定 性，因此这项误差可以忽略。 ( 4 ) 对被测仪表取样时间的误差 1 4 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 对被测仪表的取样时间受换向器换向时间误差的影响，在分析这项误差时，必须首 先了解换向器的工作过程：初始状态，换向器指向非工作容器。当管道内流量达到稳定 值后，工控机发出开始启动信号，换向器从非工作容器切换到工作容器，此过程称为换 向器的换入过程。当液位达到一定高度时，工控机发出停止信号，再从工作容器切换到 非工作容器，此过程称为换向器的换出过程。根据检定要求；采样与换向器的换向必须 同步动作。对于脉冲式仪表，换向器动作的同时，定时计数器开始工作，对被检流量计 输出的脉冲信号进行计数同时开始计时。换入与换出时换向器并不是立即开始动作，而 是有一延时，当达到延时时间后，换向器才开始动作，由非工作容器切换到工作容器或 由工作容器切换到非工作容器，流入工作容器内的流量从零逐渐变化到最大值或从最大 值逐渐变化到零，此过程一般是非线性的。对于本系统来说，该项误差是最主要的误差 源。 在实际检定过程中，这段时间一般比较短，可以将其按线性近似处理，并可通过软 件予以修正，以达到足够的精度要求，具体的数据在第五章进行了定量的分析。 图2 5 示是换向器的流量特性图( 一个完整的换入和换出过程) 。 图2 4 换向器流量特性图 f i g 2 4f l o wc h a r a c t e r i s t i co f c o m m u n i c a t o r 从图2 4 可以看出开始测量命令自死时间发出，但此时换向器和定时计数器并未 开始工作( 即没有对被检流量计的输出信号进行采样) 。当换向器和定时计数器延时一 段时间后，在乃时刻换向器开始换向，同时定时计数器开始工作。同理在乃时刻换向 器换出，定时计数器停止计数和计时。乃和乃的时间间隔t 作为被检流量计的检定时 间。由于换向器有换向误差，因此必须用软件对其进行修i l ：l a 。 2 4 流量仪表精度传递的准确度分析 流量单位的值传递历来是按照检定系统的规定，由不同准确度的计量器具( 不同的 一15 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 流量标准装置或标准流量计) 所组成的不连续等级进行的，且应满足相邻等级准确度不 相等原则。如果以6 表示流量值的复现误差，i 为准确度等级序号，则必须满足4 。 巧。 目前的所有检定规程中，作为必备的条件之一，都有类似的表述1 9 1 1 0 1 【1 1 】： j j g1 9 8 9 4 装置的误差应不超过被检流量计基本误差限的1 2 ； j j g6 4 3 9 4 装置的准确度应不低于被检表准确度的1 2 ； j j g2 5 7 9 4 装置准确度应优于检流量计基本误差限的1 2 ； j j g8 9 7 9 5 装置准确度应优于检流量计基本误差限的1 3 ； j j g6 6 7 9 7 装置的误差一般不超过流量计基本误差限的1 3 ，最低不超过流量计基 本误差限的1 2 。 这意味着检定0 2 级到0 5 级的高精度流量仪表( 如涡轮流量计、电磁流量计、科里 奥利质量流量计等) 时，对流量标准装置提出很高要求。一个简单检定方案随着需求被 提出。这里涉及到一个等精度传递的概念。国外已成功地把等精度传递的理论应用于实 际传递系统，将一个流量范围很小的国家级流量基准通过一系列传递链将流量单位传递 给生产中使用的流量仪表。 下面介绍一下等精度传递的概念。 根据相邻等级准确度不相等原则，不能用准确度等级为6 的流量标准装置对同样准 确度等级的被检流量仪表进行检定。然后，对于标准表法流量标准装置，不管标准表是 a 类仪表，还是b 类仪表，当定点使用时，流量标准装置的准确度6 为： 占= 【霹+ 霉+ 砰+ 霹p ( 2 6 ) 式中e 为检定标准表用的流量标准装置的准确度；e ，为标准表单次测量的极限相对误 差，使用仪表系数和不使用仪表系数时分别取式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 的最大值。 ( e ) ，= 坟譬1 0 0 ( 2 7 ) a 1 ( e ) 。= 蚝缝丛1 0 0 ( 2 8 ) 吼 式中：口kt r c o 分别为某检定点上仪表系数的标准偏差( 使用仪表系数时) 和流量修正值 的标准偏差( 不使用仪表系数时) 。 5 和e 2 分别表示在标准表不带配套仪表一起检定时以及在检定条件与使用条件不 符的情况下所引起的附加误差。从式( 2 6 ) 可以看出，如果暂时不考虑e 和e ，且将 标准表固定在某检定点使用时，e 的值就是标准表在该检定点的重复性误差。实践 一1 6 东北大学硕士学位论文第二章流量计标定方法分析 已经证明，某些仪表( 如电磁流量计、涡轮流量计和科里奥利质量流量计等) 的重复性非 常好，甚至比巨要高出一个量级。由