劉冰逸楠，毛謙敏

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

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回轉(zhuǎn)體積的膜式燃氣表示值誤差檢定技術(shù)研究

劉冰逸楠，毛謙敏

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

為了提高膜式燃氣表的檢定效率，改善最小流量點檢定耗時過長的問題，利用差壓法，即通過檢測燃氣表膜盒內(nèi)部往返運動件的運動情況帶動的燃氣表進、出氣口的壓差來獲得當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積，并設(shè)計了以雙計時法和當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積為基礎(chǔ)的膜式燃氣表誤差快速檢定裝置.該裝置以工控機為核心，設(shè)計了基于音速噴嘴的膜式燃氣表示值誤差檢定裝置的自動信號采集處理電路.通過LabVIEW上位機軟件完成示值誤差檢定界面的編寫.實驗結(jié)果表明，該檢定裝置穩(wěn)定可靠，能夠通過縮短小流量點檢定的時間來提高家用型膜式燃氣表的誤差檢定效率.

膜式燃氣表；差壓法；回轉(zhuǎn)體積；雙計時法；示值誤差；快速檢定

膜式燃氣表不僅是生產(chǎn)發(fā)展、貿(mào)易結(jié)算的計量器具，并且作為一種節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具[1]，需要積極響應(yīng)國家“低碳生活、節(jié)能降耗”號召[2].因此，不論在大中企業(yè)還是家庭用戶，膜式燃氣表都扮演了重要的角色.膜式燃氣表日益增長的市場需求，也對不斷完善我國膜式燃氣表檢定裝置和檢定方法，大力推動我國城市燃氣的發(fā)展提出了更高的要求.

燃氣表檢定的方法主要有鐘罩法、濕式表法、活塞法和音速噴嘴法等等.其中最常用的是鐘罩法和音速噴嘴法[3].相較于鐘罩式檢定裝置，音速噴嘴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置音速噴嘴穩(wěn)定，裝置流量的調(diào)節(jié)僅通過調(diào)整噴嘴的組合就能實現(xiàn)，測量過程的最小通氣量僅取決于被檢流量計的最小脈沖權(quán)重[4-5]，因此，本系統(tǒng)裝置以工控機為控制核心，音速噴嘴作為檢定標(biāo)準(zhǔn)器.

基于音速噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)裝置有正壓法和負壓法之分.負壓法采用大氣作為氣源，投資小，并具有流量穩(wěn)定，能耗低的優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用[6].于是，本裝置采用真空負壓泵以空氣作為進氣氣源，按負壓、吸入的方式進行標(biāo)定.

針對工業(yè)膜式燃氣表獲得當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積的方法，有學(xué)者提出采用一個光電傳感器置于表前，用于測量被檢表字輪式計數(shù)器最小讀數(shù)盤上的反光標(biāo)識，當(dāng)反光標(biāo)識每轉(zhuǎn)動一圈即輸出一個脈沖；另一個傳感器用于檢測膜式燃氣表膜盒內(nèi)部往返運動件的運動情況，當(dāng)膜表完全排放一個當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積的氣體時，輸出一個脈沖.由于兩個傳感器在相同流量條件下，示值誤差也相同的原理，通過示值誤差相等可建立等式，準(zhǔn)確計算出該膜表的實際回轉(zhuǎn)體積值[7].

但是，此種基于回轉(zhuǎn)體積的快速檢定方法在實際運用時仍然存在許多問題.對于家用小型膜式燃氣表(如G1.6、G2.5、G4等)，其體積容量相對較小，曲柄連桿機構(gòu)的往返運動情況在膜表的進氣口較難進行檢測，特別在目前常用的多表串聯(lián)檢測時，曲柄連桿機構(gòu)的往返運動情況檢測難度更大，需要增加復(fù)雜的機械及運動控制部件，而且通用性差，故基于回轉(zhuǎn)體積的膜式燃氣表示值誤差檢定技術(shù)還有待發(fā)展.所以本文提出了結(jié)合差壓法得到回轉(zhuǎn)體積的快速檢定技術(shù)，可以明顯改善上述方法的缺點，大大縮短膜式燃氣表小流量點檢定的時間.

1 檢定原理

膜式燃氣表的回轉(zhuǎn)體積是膜式燃氣表計量的最基本單位.想要縮短膜式燃氣表最小流量點檢定時間，可以通過減小最小流量點的通氣量來實現(xiàn)，即把該點的檢定通氣量設(shè)置為當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積.

采用雙計時法來獲得燃氣表的回轉(zhuǎn)體積：用一個光電傳感器檢測膜式燃氣表表頭讀取數(shù)字輪信號，再用一個差壓傳感器測得進氣口和出氣口的差壓，這個壓力差可以推動膜式燃氣表的膜片在計量室內(nèi)運動，并且?guī)优錃鈾C構(gòu)進行協(xié)調(diào)配氣，使得膜片的運動能夠連續(xù)往復(fù)的進行.

檢定時將光電傳感器固定在燃氣表前，可以檢測被檢表上最小讀數(shù)盤上的反光標(biāo)識.所以當(dāng)燃氣表表頭的計數(shù)字輪每轉(zhuǎn)到標(biāo)識處一次時，光電傳感器就會輸出一個脈沖(對于家用膜式燃氣表通常對應(yīng)為10 dm3).差壓傳感器用于檢測膜表進氣口與出氣口處的壓力差，經(jīng)過理論分析與實際測試均表明差壓信號與膜式燃氣表的回轉(zhuǎn)運動具有很好的相關(guān)性，可以用相關(guān)性分析的方法得出的差壓信號的周期代表燃氣表的回轉(zhuǎn)周期.圖1為大流量點時差壓傳感器輸出信號對應(yīng)的電壓.

圖1 大流量點差壓傳感器輸出Figure 1 Differential pressure sensor output of large flow point

在動態(tài)測試中要了解與時間有關(guān)的信號在不同時刻的取值有無內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，可以用相關(guān)函數(shù)的概念進行處理，信號的相關(guān)性就是反映信號波形相互聯(lián)系緊密性的一種函數(shù).其中信號在一個時刻的瞬時值與另一時刻的瞬時值之間的依賴關(guān)系可以用自相關(guān)函數(shù)來描述.為了定量地確定信號x(t)與時移副本x(t+m)的差別或相似程度通常采用自相關(guān)函數(shù)[8].

(1)

由上述原理，通過外接數(shù)據(jù)采集處理模塊，在一段時間內(nèi)等間隔采樣差壓信號并將所得信號數(shù)值做自相關(guān)分析，可以獲得被檢表的回轉(zhuǎn)周期值.

外部數(shù)據(jù)采集處理模塊分析差壓傳感器信號，經(jīng)過計算得出被檢表的回轉(zhuǎn)體積周期，根據(jù)示值誤差計算公式[9]：

(2)

式(2)中：δ—測量的示值誤差；Vm—測得的被測膜表的體積示值，Vref—通過燃氣表的實際值；t—qref對應(yīng)測量時間.

因為兩個傳感器在相同的氣體流動條件下運用同樣的標(biāo)準(zhǔn)表檢定計量裝置計量，滿足了在相同的流量條件下，示值誤差也相同的原理.由示值誤差公式，可推導(dǎo)出如下公式：

(3)

式(3)中：Vm—大流量檢定時，色標(biāo)傳感器測得的被檢膜表的體積示值；tm—Vm對應(yīng)的測量時間；Vc—回轉(zhuǎn)體積；N—大流量點檢定時當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積個數(shù)；tn—N個回轉(zhuǎn)對應(yīng)的測量時間.據(jù)此計算得到該膜式燃氣表準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)體積示值Vc.

大、中流量點進行檢定時，工控機控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，由噴嘴滯止溫度、壓力得到質(zhì)量流量，再由環(huán)境溫度、大氣壓力、流量計處溫度壓力算出氣體在流量計處密度，從而得到氣體在流量計處的實際體積流量，即標(biāo)準(zhǔn)體積流量，然后和流量計測得的流量進行對比，根據(jù)檢定規(guī)則得出檢定結(jié)果，同時計算并保存被檢表的回轉(zhuǎn)體積值；小流量點檢定時，按照大或中流量點檢定時所得被檢膜表的回轉(zhuǎn)體積值作為檢定的標(biāo)準(zhǔn)通氣量，通過2～3個回轉(zhuǎn)體積氣體時停止檢定，由標(biāo)準(zhǔn)表值與被檢膜表的計算通氣量得到示值誤差并做合格判斷.

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32F系列微處理器作為控制核心，硬件電路還有差壓信號采集模塊、脈沖信號采集模塊、通訊模塊等等.系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖Figure 2 Diagram of hardware system

2.1 色標(biāo)脈沖處理

流過被檢膜表的實際流量值主要借助于對外部色標(biāo)傳感器的脈沖數(shù)計量產(chǎn)生，因此，每只膜表對應(yīng)的外部光電采樣器通過外圍檢測電路連接至STM32微處理器的具有中斷功能的I/O口，用于采集脈沖信號發(fā)生時間、個數(shù)等數(shù)據(jù).當(dāng)脈沖到來，對應(yīng)的處理器管腳產(chǎn)生一次跳變，從而觸發(fā)中斷，實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)傳送.同時，單片機每隔1 s定時刷新數(shù)據(jù)，讀取當(dāng)前各I/O口的脈沖數(shù)據(jù)，保存對應(yīng)時間，并每隔一定時間由STM32控制器向工控機傳送數(shù)據(jù)，由工控機進行合格判定等后續(xù)數(shù)據(jù)處理.

2.2 差壓信號處理

采集到的差壓信號先通過差分放大電路，選用INA128芯片，通過單個外部電阻RG的大小來實現(xiàn)1至10 000的增益[10].再通過程控放大電路，采用數(shù)字可編程增益儀器放大器AD8251，可直接通過GPIO口根據(jù)信號峰值放大1、2、4、8倍.[11]AD模塊采用芯片AD7606，將AD7606與STM32通過并行接口方式連接.AD7606的數(shù)據(jù)線DB0～DB15分別連接對應(yīng)的FSMC數(shù)據(jù)線.AD7606的BUSY引腳電平為高時表示AD正在進行轉(zhuǎn)換，變低表示轉(zhuǎn)換完成.將BUSY引腳接到STM32的外部中斷引腳并配置為下降沿觸發(fā)，這樣就可以在轉(zhuǎn)換完后及時讀取數(shù)據(jù).

2.3 變送器的信號采集

在本系統(tǒng)中采用音速噴嘴檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置自帶的變送器對溫度、壓力、濕度等信號進行采集，信號通過電流電壓轉(zhuǎn)換器再經(jīng)過一個積分式A/D轉(zhuǎn)換器，積分式傳感器抗干擾能力強，精度高，速度慢，適用于像燃氣表檢定這樣周期較長的數(shù)據(jù)采集.最后經(jīng)串口通訊送至處理器進行溫壓濕度補償?shù)冗\算.

2.4 I/O控制模塊

I/O控制模塊通過串口對7個音速噴嘴的自動配對組合狀態(tài)的進行控制；控制真空氣泵的啟停.

2.5 微處理器

微處理器采用的是STM32F系列.下位機軟件主要包括外部光電傳感器脈沖信號和差壓傳感器信號采集處理與串口通訊兩個核心部分.光電傳感器的信號通過STM32F微處理器的GPIO端口，利用外部中斷功能與定時器計數(shù)功能，依序記錄接收到的每一個脈沖信號脈沖的序號以及該脈沖發(fā)生當(dāng)前的時間.差壓傳感器信號通過放大后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器并由微處理器采集，經(jīng)自相關(guān)處理運算獲得回轉(zhuǎn)時間.利用串口通訊，可將得到的脈沖時間和回轉(zhuǎn)時間等信息送至上位機處理.

3 上位機軟件設(shè)計

根據(jù)檢定系統(tǒng)的功能需求分析，本系統(tǒng)中上位機軟件系統(tǒng)流程圖如圖3.

圖3 上位機軟件系統(tǒng)流程圖Figure 3 Diagram of software system

在本系統(tǒng)中，上位機軟件控制了整個檢定系統(tǒng)的進程，有序地調(diào)動數(shù)據(jù)采集模塊、輸入輸出模塊等外部模塊完成數(shù)據(jù)采集輸出等工作，并完成后續(xù)數(shù)據(jù)管理等工作，有效地代替了大量人工操作，規(guī)避了人為誤差的引入，從而使整個過程更自動化，效率更高.

4 實驗結(jié)果分析及結(jié)論

4.1 回轉(zhuǎn)法與普通法檢定誤差精度等級比較

以G2.5型膜式燃氣表(標(biāo)定最小分度盤轉(zhuǎn)一圈為10 dm3，回轉(zhuǎn)體積為0.9 dm3，以下實驗所用燃氣表型號相同)為例進行實驗，根據(jù)JJG577-2012膜式燃氣表檢定規(guī)程要求，用同一檢測系統(tǒng)將大、中流量點通氣量設(shè)置為80 L，為了比較兩種方法的誤差大小，先要獲得較為精確的普通法檢定誤差，因此將小流量點設(shè)置為檢定10圈，得到其檢定誤差為0.408%.在使用普通法檢定的同時記錄前5次回轉(zhuǎn)體積所得到的回轉(zhuǎn)體積和檢定誤差，以保證能在環(huán)境條件相同的條件下比較兩種方法的誤差.

根據(jù)實驗得到由中流量點得到的燃氣表回轉(zhuǎn)體積為0.942 4 dm3，回轉(zhuǎn)法得到的誤差如表1.

表中K值為通氣量為一個回轉(zhuǎn)體積時對應(yīng)燃氣表最小分度盤轉(zhuǎn)動的體積；U為回轉(zhuǎn)法與普通法相比示值誤差的差值.由表格可以看出，K值的浮動變化范圍在0.1%左右，說明所得K值可靠；相同的環(huán)境條件下，回轉(zhuǎn)法與普通法對燃氣表小流量的誤差差值能夠保證在0.1%以內(nèi)的水平，能夠達到同一精度等級的要求.

4.2 回轉(zhuǎn)法與普通法重復(fù)性比較

以G2.5型膜式燃氣表為例進行實驗，用同一檢測系統(tǒng)將大、中流量點通氣量設(shè)置為80L和50L，分別將小流量點通氣量設(shè)置為一個回轉(zhuǎn)體積、兩個回轉(zhuǎn)體積和三個回轉(zhuǎn)體積，不同回轉(zhuǎn)體積的實驗分別做10次以減少偶然性帶來的誤差，得到的不同回轉(zhuǎn)體積的小流量檢定誤差如圖4.

根據(jù)圖4可以得到小流量點通氣量設(shè)為不同回轉(zhuǎn)體積的誤差對比表格如表2.

圖4 通過不同回轉(zhuǎn)體積小流量檢定誤差圖Figure 4 Verification error diagram of small flow point through different rotary volume

表2 通過不同回轉(zhuǎn)體積氣體小流量點檢定誤差對比

流程重復(fù)性是根據(jù)多次實驗中示值誤差最大值和最小值的差值得出的.國標(biāo)中要求大、中流量點檢定時要滿足重復(fù)性在0.6%以內(nèi)，對小流量點并不做要求[9]，而應(yīng)用本文提出的方法檢測非常穩(wěn)定，任意兩次檢測的重復(fù)性都可以滿足在0.6%內(nèi)的要求.

再與現(xiàn)有的普通膜式燃氣表誤差檢定技術(shù)相比，在同一套檢定系統(tǒng)中得出的小流量點誤差檢定如圖5.

實驗中大、中流量點通氣量不變，小流量點分別檢定一圈、兩圈和三圈.同理，由圖5可以得到普通法誤差分析表格如表3.

由表2、3對比可知，在日常根據(jù)國標(biāo)進行檢定時，小流量一般檢定一圈，重復(fù)性并不是很好.如果檢定圈數(shù)增加，則耗時也大大增加，而改由回轉(zhuǎn)體積法得到檢定誤差不僅能節(jié)約時間，還能保證重復(fù)性小于0.6%.

按照誤差理論計算公式來看，隨著小流量點檢測圈數(shù)的增多，其平均誤差應(yīng)趨于精確，重復(fù)性應(yīng)越來越好.但在實際測量當(dāng)中，由于檢定一圈需要花費時間比較長，受到環(huán)境因素的影響，例如溫度、濕度的改變和光強的變化，以及實驗所用的膜式燃氣表并未經(jīng)過嚴格的校準(zhǔn)，所以實驗結(jié)果沒有達到十分的理想化.但回轉(zhuǎn)法與之相較，由于花費時間少，環(huán)境變化影響不明顯，所以該問題也隨之迎刃而解.

圖5 通過不同圈數(shù)氣體小流量點檢定誤差圖Figure 5 Verification error diagram of small flow point through different circle number of gas

表平均誤差重復(fù)性一圈0.4791.04兩圈0.7810.37三圈0.5310.41

同理，將本實驗設(shè)計方法應(yīng)用于中流量點檢測中，可以得到中流量點檢定的平均誤差及流程的重復(fù)性如表4.

表4 通過不同回轉(zhuǎn)體積氣體中流量點檢定誤差對比

由表4可以看出，回轉(zhuǎn)法應(yīng)用于中流量點檢定既完全滿足國標(biāo)中中流量點檢定重復(fù)性應(yīng)小于0.6%的要求，且中流量完成一次回轉(zhuǎn)體積的檢定所需時間僅為4s.理論上應(yīng)用普通法完成一次檢定的時間至少為225s，在同等時間內(nèi)應(yīng)用回轉(zhuǎn)法可以完成50多次檢定.由此可見，在滿足檢定誤差結(jié)果比較精確的條件下，回轉(zhuǎn)法重復(fù)性好，檢定時間短，優(yōu)點十分突出.

4.3 檢定時間比較

以G2.5型燃氣表為例，其大、中、小流量分別為4 m3/h 、0.8 m3/h 和0.025 m3/h，換算單位即1.11 L/s、0.22 L/s和0.006 9 L/s，當(dāng)回轉(zhuǎn)體積為0.9 dm3時，檢定Qmax通氣量設(shè)為80 L，0.2 Qmax時的通氣量設(shè)為50L，每點檢定1次，Qmin檢定時的通氣量設(shè)置為2個回轉(zhuǎn)體積，檢定1次.其檢定結(jié)果如表5.

表5 檢定結(jié)果

型號規(guī)格：G2.5;大氣壓力：101.70kPa;精度等級：B;環(huán)境溫度：11.36;相對濕度：73.25%

三個點檢定一次的時間分別用t1、t2、t3表示，則可得到：

完成一次檢測所需的理論時間為t1、t2、t3與穩(wěn)定前等待時間t4(約120 s)之和，共計678 s，即11.3分鐘.實際檢定記錄的完成一次檢定所需時間約為11分鐘30秒，和理論時間基本吻合.與普通方法相比，小流量檢定時間減少了5倍之多.

5 總 結(jié)

經(jīng)過理論分析與實驗證實：該裝置系統(tǒng)具有穩(wěn)定的性能，在現(xiàn)有基于音速噴嘴的膜式燃氣表示值誤差檢定裝置的基礎(chǔ)上，通過增加差壓采集和自相關(guān)運算處理模塊，可有效獲得膜式燃氣表的當(dāng)量回轉(zhuǎn)體積，大大減小小流量點檢定體積以提高小流量檢定的速度;同時,該方法也可以應(yīng)用在中流量點檢定中，在保證測量準(zhǔn)確度的同時大幅縮短了檢定時間，提高了膜式燃氣表檢定的效率.

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Research on indicating error verification technology of diaphragm gas meters based on equivalent rotary volume

LIU Bingyinan, MAO Qianmin

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

To improve the efficiency of the diaphragm gas meter verification and shorten the inspection time of the minimum flow point, a rapid error verification device based on double-timer method and rotary volume was designed by means of the differential pressure method which could detect the inlet and outlet pressure that was driven by the movement of the reciprocating part of the diaphragm gas meter to obtain the equivalent rotary volume. The device used an industrial computer as the core and designed an automatic signal acquisition and processing circuit of a diaphragm gas meter indication error verification device based on the sonic nozzle. The verification interface was completed by the LabVIEW upper computer software. The experiment results show that this device is stable and reliable and can improve the efficiency of domestic diaphragm gas meter verification by shortening the verification time of minimum flow points.

diaphragm gas meter; differential pressure method; equivalent rotary volume; double-timer method; indicating error; rapid verification

2096-2835(2016)03-0264-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.03.004

2016-05-16 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

劉冰逸楠(1991- )，女，黑龍江省雙鴨山人，碩士研究生，主要研究方向為精密儀器及機械．E-mail：237697386@qq.com

毛謙敏，男，教授．E-mail：qianmin@cjlu.edu.cn

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