水流量標定計量軟件的研發與應用

臧振勝

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

JJG164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》中對裝置的計量性能要求、通用技術要求和計量器具控制都做了明確的說明。常規的液體標定介質為水，裝置通常包括標準表法（比較法）和質量法（稱重法），被檢儀表包括：質量流量計、速度流量計、容積流量計、渦街流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲流量計、靶式流量計和差壓流量計（孔板流量計和V錐流量計）。裝置使用時的測量數據多，后續系數和誤差的計算過程復雜，通常應用組態軟件和上位機兩種方式開發實現自動化控制，以提高測試效率和可靠性[1]。

圖1 水流量標定裝置界面圖Fig.1 Water flow calibration device interface diagram

裝置在測試過程中，需要對標準表、被檢表和時鐘晶振脈沖進行脈沖FI信號采集，對工況壓力變送器、溫度變送器及被檢表的電流AI信號進行采集，對換向器、管路閥門、夾表器等開關量DI信號進行采集。為了實現兩種測量方法的自動化，還需要根據設置進行邏輯控制，包括換向器、管路閥門、水泵的開關量DO控制，水泵及定位閥門的AI控制。上位機計量軟件需要實現遠程控制和數據采集、記錄、計算和報表[2]。

1 標準表法（比較法）

圖2所示標準表法（比較法）測試記錄，默認情況下共有7個檢定點，每個檢定點3次，與稱重法不同的是標準器讀數是標準表脈沖數和標準表系數兩列，單次測試需要記錄的數據包括：檢定點數、檢定次數、檢定時間、檢定流量、標準表脈沖數、標準表系數、介質密度、標準質量、被檢表脈沖數/被檢表電流值/被檢表瞬時流量讀數/被檢表累積流量讀數、介質壓力和介質溫度[3]。標準表法數據的計算公式為

標準時間 = 1/晶振時鐘×脈沖數

標準表脈沖數 = 啟停時間段內標準表脈沖數

被檢表脈沖數 = 啟停時間段內被檢表脈沖數

標準表頻率 = 標準表脈沖數/標準時間

標準表K系數 = f（標準表頻率）；//插值法實現標準體積 = 標準表脈沖數/標準表K值

介質密度 = f（工況溫度，工況壓力）

標準質量 = 標準體積×介質密度

標準平均瞬時質量流量 =標準質量/標準時間

標準平均瞬時體積流量 =標準體積/標準時間

1）未知被檢表K系數時：

被檢表質量K系數 = 被檢表脈沖數/標準質量

被檢表體積K系數 = 被檢表脈沖數/標準體積

2）已經被檢表K系數時：

圖2 標準表法（比較法）測試記錄Fig.2 Standard table method (comparative) test record

被檢表質量 = 被檢表脈沖數/被檢表質量系數

被檢表體積 = 被檢表脈沖數/被檢表體積系數

被檢表誤差

= （被檢表質量-標準質量）/標準質量×100%

= （被檢表體積-標準體積）/標準體積×100%

3）被檢表4mA～20mA電流輸出時：

被檢表平均瞬時流量 =（被檢表平均電流 - 4.0）/16.0×（被檢表量程上限 - 被檢表量程下限）+ 被檢表量程下限；//啟停時間內平均值

被檢表誤差 = （被檢表平均瞬時流量 - 標準平均瞬時流量）/標準平均瞬時流量×100%

4）被檢表瞬時流量讀數：

被檢表誤差 = （被檢表瞬時流量讀數 - 標準平均瞬時流量）/標準平均瞬時流量×100%

5）被檢表累積流量讀數：

被檢表誤差 =（被檢表累積質量讀數 - 標準質量）/標準質量×100%

被檢表誤差 =（被檢表累積體積讀數 - 標準體積）/標準體積×100%

2 質量法（稱重法）

圖3所示質量法（稱重法）測試記錄，默認情況下也是有7個檢定點，每個檢定點3次，與標準表法不同的是標準器讀數是秤示值和修正后質量兩列，單次測試需要記錄的數據包括：檢定點數、檢定次數、檢定時間、檢定流量、秤示值、修正后質量、介質密度、標準質量、被檢表脈沖數/被檢表電流值/被檢表瞬時流量讀數/被檢表累積流量讀數、介質壓力和介質溫度[4,5]。質量法數據的計算公式為

標準時間 = 1/晶振時鐘×脈沖數

圖3 質量法（稱重法）測試記錄Fig. 3 Quality method (weighing) test record

標準表脈沖數 = 啟停時間段內標準表脈沖數

被檢表脈沖數 = 啟停時間段內被檢表脈沖數

秤示值= 結束秤質量 - 起始秤質量

浮力系數 = f（大氣的密度）

標準質量 = 浮力系數×秤示值

介質密度 = f（工況溫度，工況壓力）

標準體積 = 標準質量/介質密度

標準平均瞬時質量流量 = 標準質量/標準時間

標準平均瞬時體積流量 = 標準體積/標準時間

后續被檢表5種情況的系數及誤差計算方法與上述標準表法相同。稱重法需要使用電子電平對水介質進行精確的質量測量，電子天平預留232/485串口，通過非標協議實現當前質量的讀取操作，通常用組態軟件自帶的廠家驅動或者用上位機編寫驅動程序實現電子天平的數據實時采集，或者應用PLC實現自由口協議的非標設備數據采集[6]。

3 數據處理

3.1 標準表儀表系數

應用標準表法進行計量時，需要通過標準表的實時頻率f計算出標準表的儀表系數K值，通過插值法計算實現，bzbdks為標準表K值，temp1～temp5代表標定頻率值，temp11～temp15代表標定系數K值[7]。

if (f＜temp1) //定點系數計算

{bzbdks=temp11;}

if (f＞=temp1 && f＜temp2)

{bzbdks=(temp12-temp11)*(f-temp1)/(temp2-temp1)+temp11;}

if(f＞=temp2&&f＜temp3) {bzbdks=(temp13-temp12)*(ftemp2)/(temp3-temp2)+temp12;}

圖4 被檢表精度等級計算工具Fig.4 Checked table accuracy level calculation tool

if(f＞=temp3&&f＜temp4) {bzbdks=(temp14-temp13)*(ftemp3)/(temp4-temp3)+temp13;}

if(f＞=temp4&&f＜temp5) {bzbdks=(temp15-temp14)*(ftemp4)/(temp5-temp4)+temp14;}

3.2 被檢表系數和誤差

被檢表的儀表系數為檢定點中3次測量儀表系數的平均值，重復性用貝塞爾公式計算結果除以儀表系數平均值得到[8,9]。在整個測試記錄中：

誤差 = （系數最大值 - 系數最小值）/（系數最大值 +系數最小值）×100%

儀表系數 = （系數最大值 + 系數最新值）/2

重復性 = 重復性最大值

被檢表的精度等級需要結合誤差值和重復性值進行判斷，不同被檢表的重復性要求并不相同，如質量流量計、速度流量計要求重復性滿足誤差的1/2，超聲流量計要求重復性滿足誤差的1/5，其余的流量計要求為1/3。此外，渦街流量計和超聲流量計進行液體測量時需要有qt分界流量處理，大于等于qt時需滿足上述常規要求，小于qt時滿足2倍的要求就可以，圖4是針對不同被檢表設計的精度等級計算工具軟件界面圖。

4 結論

本文闡述了標準表法（比較法）和質量法（稱重法）的水流量標定裝置上位機軟件的研發和應用，介紹了兩種測試方法需要采集的現場數據，標準表、被檢表和標準時間的信號采集過程，標準質量、標準體積、標準時間、標準表K值、測試記錄的儀表系數、重復性和誤差計算過程。經測試比較，水流量標定計量軟件可以穩定高效地實現被檢表的數據采集和后續計算，達到了預期的設計效果。