侯學(xué)青 ，李 斌 ，程 超

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海201114；2.上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海200072）

現(xiàn)場服務(wù)型標(biāo)準(zhǔn)表法流量測試裝置

侯學(xué)青1，李 斌2，程 超2

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海201114；2.上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海200072）

該文在比較分析傳統(tǒng)流量參數(shù)測試方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種現(xiàn)場服務(wù)型流量測試裝置，用于解決水流量參數(shù)測試裝置現(xiàn)場高精度計量檢測的問題。整套裝置以水為介質(zhì)，以科里奧利流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表組，以變頻調(diào)速加穩(wěn)壓罐作為二級穩(wěn)壓系統(tǒng)，以LabVIEW軟硬件平臺作為開發(fā)系統(tǒng)。所設(shè)計的裝置小巧輕便，可以車載到現(xiàn)場進行快速標(biāo)定，節(jié)省了因流量計拆卸送檢引起的待機時間，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。該裝置填補了國內(nèi)水流量現(xiàn)場計量測試的技術(shù)空白。

流量測試裝置；現(xiàn)場服務(wù)型；標(biāo)準(zhǔn)表法；質(zhì)量流量計；LabVIEW

隨著國家政策的調(diào)整，計量校準(zhǔn)市場競爭加劇，以客戶需要為本的理念已深入人心[1]。現(xiàn)有的流量測試裝置均為固定式，且十分龐大，流量計量時需要將流量計全部拆下送至計量單位，檢測后再取回重新安裝到生產(chǎn)線上，一般要花費一周左右的時間，大大降低了生產(chǎn)效率[2]。盡管出現(xiàn)了將便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表，安裝在現(xiàn)場管道上進行測試的離線實流檢測的方法，但由于管道污垢、管道銹蝕、介質(zhì)污染等因素，超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表的自身測量誤差會很大，無法滿足企業(yè)高精度的工藝控制要求[3]。在此，設(shè)計了一種現(xiàn)場服務(wù)型標(biāo)準(zhǔn)表法流量測試裝置，以車載的形式到現(xiàn)場進行流量標(biāo)定。目前整套裝處于研發(fā)階段，軟硬件平臺尚需經(jīng)過調(diào)試試驗，一旦測試完成，該裝置對于推動國家現(xiàn)場流量計量的發(fā)展，提高企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的意義。

1 理論技術(shù)依據(jù)

根據(jù)JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程要求，一套完整的標(biāo)準(zhǔn)表法流量測試設(shè)備由水箱、試驗管道、標(biāo)準(zhǔn)流量計、流量調(diào)節(jié)閥、壓力計、溫度計及其他輔佐儀器組成[4]。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本工作原理如下：液體在相同時間距離內(nèi)，連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)表組和待檢表的質(zhì)量流量是相等的，因而通過將2個流量計的示值比對，就能夠達到標(biāo)定待檢表的功能，確定待檢表的精度、不確定度等參數(shù)[5]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法工作原理Fig.1 Operating principle of master meter method

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置的設(shè)計在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行了改進創(chuàng)新，很好地滿足了現(xiàn)場服務(wù)的要求。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由水箱、變頻水泵、穩(wěn)壓罐、氣泵、開關(guān)閥門、標(biāo)準(zhǔn)表組、待檢表、流量調(diào)節(jié)閥、監(jiān)控流量計、PXI機箱、PC及各種傳感器組成。將LabVIEW平臺作為標(biāo)定系統(tǒng)的軟件測試核心，下位機采用PXI機箱配備各種板卡來完成數(shù)據(jù)采集及控制工作，上位機PC采用LabVIEW來開發(fā)人機交互界面。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System components

系統(tǒng)分為穩(wěn)定水流供應(yīng)部分和流量參數(shù)測試部分。穩(wěn)定水流供應(yīng)部分采用變頻調(diào)節(jié)加穩(wěn)壓罐的兩級穩(wěn)壓系統(tǒng)，以保證水流穩(wěn)定，減小誤差。流量參數(shù)測試部分對標(biāo)準(zhǔn)表和待檢表的脈沖進行采集，由脈沖當(dāng)量換算成實時的流量值，同時采集附加傳感器的值，對標(biāo)定結(jié)果進行補償，并將結(jié)果顯示在人機界面上，最后根據(jù)需要由打印機打印出相應(yīng)的原始記錄和證書。

3 硬件設(shè)計

3.1 裝置機械結(jié)構(gòu)

如圖3所示，本裝置由檢測單元、穩(wěn)壓單元、供水單元等3部分構(gòu)成，3部分均裝有鎖緊子，方便車載到現(xiàn)場。供水單元由2臺變頻泵和水箱組成，通過PID控制器來控制變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量點的自動調(diào)節(jié)。在穩(wěn)壓單元中，通過軟管連接置于檢測單元和供水單元之間，通過補氣、放氣來保證罐內(nèi)氣體壓力恒定，對管道流體進行很好的緩沖，保證了水流的穩(wěn)定，因此可以提高流量檢測裝置的檢測精度。在檢測單元中，通過拉柱傾斜在檢測裝置機體內(nèi)安裝標(biāo)準(zhǔn)表組（質(zhì)量流量計），每個標(biāo)準(zhǔn)表管路設(shè)置1個三片閥來選通標(biāo)準(zhǔn)表，車體內(nèi)安裝控制柜，完成裝置的數(shù)據(jù)采集及控制任務(wù)。

圖3 裝置機械結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical structure of the facility

另外，在標(biāo)準(zhǔn)表附近特別安裝了震動傳感器，用于測量測試裝置的震動頻率，測得的頻率在控制柜的顯示單元顯示，當(dāng)測試裝置的震動頻率超過設(shè)定值時發(fā)出報警，此時需調(diào)節(jié)測試裝置，使得測試裝置的震動頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)。試驗表明，當(dāng)測試裝置的震動加速度超過1g時，會影響標(biāo)準(zhǔn)表正常工作，因此當(dāng)震動傳感器測試到測試裝置的震動加速度達到1g時，發(fā)出報警。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)表組

為解決標(biāo)準(zhǔn)表法測量精度不高的問題，系統(tǒng)配備3臺E+H公司的Promass 83F不同口徑高精度的質(zhì)量流量計。該系列質(zhì)量流量計所需的安裝空間小，無前后直管道的要求，很好地適合本裝置現(xiàn)場服務(wù)的需求。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 質(zhì)量流量計參數(shù)Tab.1 Parameters of mass flowmeter

3.3 水源穩(wěn)定系統(tǒng)

經(jīng)分析比較流量標(biāo)準(zhǔn)裝置常用穩(wěn)壓方法[6]（如水塔穩(wěn)壓、容器穩(wěn)壓、變頻穩(wěn)壓、變頻加容器穩(wěn)壓法），選擇變頻加容器二級穩(wěn)壓法，充分利用其壓力范圍大、設(shè)備費用低、占用體積小和流量范圍寬等優(yōu)點，完成本裝置的水源穩(wěn)定控制[7]。其工藝流程如圖4所示。

圖4 二級穩(wěn)壓系統(tǒng)工藝流程Fig.4 Technological process of two stage voltage stabilizing syste

一級變頻穩(wěn)壓對離心泵進行串級PID控制，以被檢表前的流量為主控制變量，實現(xiàn)最終出口流量的穩(wěn)定；以泵出口壓力作為副控制變量，減少離心泵因為電源電壓和頻率的不穩(wěn)引起的轉(zhuǎn)速變動，從而能更好保證泵出口壓力的穩(wěn)定。

二級容器穩(wěn)壓選用立式穩(wěn)壓罐消除泵出口的高頻脈動。通過差壓傳感器測量罐內(nèi)壓力，微機控制電磁閥進行補氣、放氣，使壓縮空氣壓力保持在0.3～0.4 MPa，從而對流體流動波動進行了緩沖，使流體中的氣泡析出，保證了流體的穩(wěn)定。整個罐體容積設(shè)計滿足最大流量為45 m3最大壓力為0.3 MPa，輸出流量壓力波動值在0.1%以內(nèi)。

3.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

相對于傳統(tǒng)的單片機、PLC等控制方式，虛擬儀器技術(shù)因其高效靈活的軟件和高性能的集成模塊化硬件，使其在自動化測試領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期[8]。為了保證流量測試裝置具有較高的可靠性，在硬件上要考慮到工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，滿足可測試性、可擴展性和可維護性要求。在此選用美國國家儀器（NI）公司的PXI系統(tǒng)作為硬件開發(fā)平臺，配合相應(yīng)的板卡，來完成數(shù)據(jù)采集及控制任務(wù)。其配置參數(shù)如表2所示。

表2 PXI機箱配置參數(shù)及功能Tab.2 Configuration parameters and functions of PXI chassis

整個控制系統(tǒng)如圖5所示。PXIe-8840板卡作為實時目標(biāo)端 （RT Target），PC作為主機端（Host PC），它們分別運行實時操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)。目標(biāo)端的數(shù)據(jù)采集及變頻控制程序和主機端的數(shù)據(jù)監(jiān)控處理程序，通過以太網(wǎng)連接來進行數(shù)據(jù)交互。PXIe-4302板卡完成傳感器的4～20 mA電流信號采集，PXIe-6614完成流量計的脈沖/頻率計數(shù)及狀態(tài)信號采集，PXI-8433完成對變頻器的控制。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of control system

4 軟件設(shè)計

LabVIEW是圖形化的開發(fā)環(huán)境，提供了大量的函數(shù)和控件，它無需人們掌握較多的軟件編程基礎(chǔ)，就可以簡單方便地開發(fā)數(shù)據(jù)采集和控制程序，同時設(shè)計出專業(yè)、美觀的用戶界面[9]。如圖6所示，該裝置的軟件開發(fā)系統(tǒng)主要完成用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、信息錄入、檢定參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理等6個功能。

圖6 人機交互界面框圖Fig.6 Block of human-computer interaction interface

5 結(jié)語

標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度取決于標(biāo)準(zhǔn)流量計的精度，提高了標(biāo)準(zhǔn)表的精度即提高了裝置的精度。本文采用E+H的0.05級科里奧利質(zhì)量流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表組，并配合變頻調(diào)速和穩(wěn)壓罐的二級穩(wěn)壓，在所有參數(shù)被嚴(yán)格控制和可測量的前提下，可以期望裝置的相對擴展不確定度達到或優(yōu)于0.2%（k=2），滿足了高精度測試的需求。整套裝置適用口徑DN8-80的儀表標(biāo)定，水流量標(biāo)定范圍為0.5～38 m3/h。

同時，整套流量標(biāo)準(zhǔn)裝置可車載到現(xiàn)場進行流量計的標(biāo)定工作，運用LabVIEW做成的人機交互界面，從客戶委托單信息錄入、到不同流量點檢定、再到報表生成，整個標(biāo)定流程在現(xiàn)場操作靈活，節(jié)省了大量人力物力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。同時可以將該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，在全國質(zhì)檢行業(yè)推廣，以提高國內(nèi)現(xiàn)場流量標(biāo)定水平。

[1] 趙寧.移動式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[D].保定：河北大學(xué)，2010：9-10.

[2] 石建榮，趙作廣，周軼，等.移動式雙羅茨標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].中國計量，2013，18（7）：68.

[3] 顏一凡，劉勇，龔峰.便攜式超聲波流量計在管線測量中的應(yīng)用[J].中國計量，2010，15（3）：106.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[5] 李綿冬，張超英，王玉森.基于標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2006，17（12）：78-81.

[6] 何子延.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置變頻加容器穩(wěn)壓系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[7] 李寶.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置變頻調(diào)速穩(wěn)壓系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.

[8] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：20-22.

[9] 徐國微.虛擬儀器技術(shù)在流量計檢定中應(yīng)用研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2009.

Flow Test Facility for Field Service Based on Master Meter Method

HOU Xue-qing1，LI Bin2，CHENG Chao2
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2.School of Mechatronical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

On the basis of comparing and analyzing the traditional flow parameter testing methods，a field service flow test facility is designed to solve the problem of high accuracy measurement of water flow parameter test device.The whole device takes water as the medium，and the Coriolis flowmeters are used as master meters.The variable frequency pump and the surge tank are acted as the secondary regulation system，and the hardware and software platform of LabVIEW are used as the development system.The entire facility is small and light weight so that it can be carried to the scene for rapid calibration.It saved the standby time caused by the disassembly and examination of the flowmeter and greatly improved the production efficiency of the enterprise.The device fills the technical blank of field measurement and measurement of domestic water flow.

flow test facility；field service；master meter method；mass flowmeter；LabVIEW

TB937

A

1001-9944（2017）11-0024-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.006

2017-06-12；

2017-09-06

侯學(xué)青（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為自動化儀表。