氣體流量計遠程校準系統(tǒng)研究

為了探索氣體流量計的校準方法，對其遠程校準技術(shù)進行了研究。闡述了量值傳遞和遠程校準的原理，設(shè)計了系統(tǒng)架構(gòu)，研制數(shù)據(jù)采集終端，開發(fā)校準軟件平臺，并建立了實驗系統(tǒng)，進行了實驗。結(jié)果表明: 數(shù)據(jù)采集終端與平臺通信良好，數(shù)據(jù)能實時準確傳送，校準平臺對實驗系統(tǒng)內(nèi)儀表進行校準，得到該遠程校準系統(tǒng)的擴展不確定度為 0． 52 % ( k =2) ，系統(tǒng)具有實際應(yīng)用的可行性。

0.引 言

遠程校準相對于傳統(tǒng)計量校準更快捷和低成本，因此得到了快速的發(fā)展。目前，遠程校準主要在美國、英國、德國和日本等開展得比較普遍，尤其是日本，由于其很多跨國公司的生產(chǎn)車間都設(shè)立在第三國，對生產(chǎn)車間計量檢測設(shè)備的校準迫使其大力發(fā)展遠程校準技術(shù) 。在能源計量器具遠程校準方面美國標準和技術(shù)研究院 ( NIST) 開展了氣體流量計的遠程校準服務(wù)，德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究院( PTB) 進行了高壓天然氣流量基準的遠程校準，日本計量院( NMIJ) 開展的項目很多，其中也包括流量計的遠程校準。

2005 年，日本在海外與 公司對記錄儀、流量計時間頻率進行遠程校準實驗，開始了遠程校準技術(shù)的實際應(yīng)用。同時，羅馬尼亞科學(xué)家 Mihaela M博士提出了使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合數(shù)據(jù)的安全性和完整性檢查，建立遠程校準代理系統(tǒng)，通過實驗顯示該方法具有實際應(yīng)用有效性 。在 2008 年的計量技術(shù)研討會上，關(guān)于電能表的遠程校準提上了議程 ，各國都在開展遠程校準技術(shù)的研究。

我國開展了電能計量在線監(jiān)測與遠程校準的研究，研發(fā)了基于 GPS 同步時鐘的電能計量時鐘基頻測試與校準裝置，在基于等效阻抗測量的電壓 / 電流互感器低校高校驗方法的基礎(chǔ)上，提出了電壓 / 電流互感器 ( TV /TA) 的現(xiàn)場實時校準方法 。在天然氣計量上開展了基于聲速比較的超聲流量計在線監(jiān)測的研究，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠程在線檢

測 ，但對于其他天然氣流量計如羅茨流量計、渦輪流量計等的遠程校準技術(shù)研究較少。

本文提出并設(shè)計了基于標準標法的氣體流量計遠程校準系統(tǒng)，研制了數(shù)據(jù)采集終端，開發(fā)遠程校準軟件平臺，***后搭建了實驗系統(tǒng)，進行實驗研究。

1.原理與計算模型

1.1遠程校準原理

本文采用標準表法設(shè)計遠程校準系統(tǒng)，其原理如圖 1所示。首先溯源標準表，可靠的量值溯源鏈是遠程校準技術(shù)的關(guān)鍵，本設(shè)計采用了被檢表( 現(xiàn)場) —標準傳遞表—標準裝置的量值溯源鏈; 當需要校準流量計時，再將其轉(zhuǎn)移到校準現(xiàn)場，進行校準實驗; 獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回到軟件平臺( 校準實驗室) ，平臺再對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到校準結(jié)果; ***后再將標準表運返到校準實驗室。

1． 2 計算模型

目前使用的大、中流量氣體流量儀表主要有羅茨流量計、渦輪流量計、超聲流量計等，校準內(nèi)容的主要有示值誤差、儀表系數(shù)、重復(fù)性等參數(shù)。

1． 2． 1 示值誤差

單次測量的示值誤差 E 為

2.系統(tǒng)設(shè)計

2． 1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括遠程校準軟件平臺、數(shù)據(jù)采集終端和標準表等。圖 2 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)硬件主要包括計算機、數(shù)據(jù)采集終端、標準表、閥門、濕度計、溫度和壓力傳感器等。其中，計算機在校準實驗室，其余設(shè)備安裝在校準現(xiàn)場。

壓力傳感器有壓力和差壓傳感器，外輸 4 ～ 20 mA電流信號，壓力傳感器作參比壓力之用，差壓傳感器分別用于測量被檢表與標準表入口壓力。溫度傳感器輸出4 ～ 20 mA 電流信號，其測量環(huán)境溫度以及被檢表和標準表的入口溫度。濕度計用于測量空氣濕度。

信息采集器主頻較高，計時模塊使用信息采集器內(nèi)部定時器，其計數(shù)時鐘使用主頻時鐘，計時精度高。基站采用雙計時法檢定原理對數(shù)據(jù)進行修正，使校準保持“同步”。

2． 2 遠程校準軟件平臺

軟件平臺采用 LabVIEW 軟件作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，它擁有大量的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收基站傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理分析，生成證書并存儲，其流程圖如圖 3。

軟件平臺主要有三個子程序模塊: 其一為數(shù)據(jù)處理模塊，用來對數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)進行分析處理和存儲并顯示校準結(jié)果，生成證書等; 其二是為通信服務(wù)的通信模塊，主要用來建立通信連接和實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信; 其三為數(shù)據(jù)庫管理模塊，主要用來管理校準信息和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算出被檢表的示值誤差、儀表系數(shù)和重復(fù)性等參數(shù)，然后生成校準證書。

2． 3 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端包括信息采集器和基站兩部分。信息采集器采用 AＲMCortex-M3 內(nèi)核芯片 STM32F103 作為核心，它擁有 8 路 10 位 4 ～ 20 mA 電流信號采集模塊、2 路脈沖信號采集模塊和射頻通信模塊等。程序流程圖如圖 4，首先初始化，并與基站建立通信連接，等待指令。

基站以 S3C6410 芯片作為核心處理器，采用基于 Linux的嵌入式開發(fā)平臺 QT /E 作為開發(fā)平臺，QT /E 提供給應(yīng)用程序大部分的功能來完成建立合適、的圖形界面程序 ，基站實現(xiàn)對校準參數(shù)的設(shè)置并與信息采集器進行數(shù)據(jù)通信，基站可以匹配多個信息采集器，組成無線自組網(wǎng)絡(luò)。基站與平臺通過互聯(lián)網(wǎng)通信，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕x擇 TCP 傳輸協(xié)議。程序流程圖如圖 5，程序運行

時，首先初始化并與平臺和信息采集器建立通信連接，然后等待用戶操作。當用戶設(shè)置參數(shù)，點擊“開始校準”后，基站自動完成數(shù)據(jù)的接收和上傳。

3.實驗與分析

3． 1  實驗裝置設(shè)計

裝置結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，由氣泵、流量計、管道、傳感器和閥門等組成。目前天然氣行業(yè)大多使用氣體超聲流量計、氣體羅茨流量計和氣體渦輪流量計等作為計量器具，該裝置中即以這三種流量計作為研究對象，通過對閥門開閉的控制實現(xiàn)流量計的串聯(lián)或并聯(lián)連接形式。流量大小由閥門的開度控制。標準表選用渦輪流量計，其精度為± 0． 50 % ，流量范圍為 6 ～ 100 m3 /h，輸出信號為 4 ～ 20 mA

和脈沖信號。被校表為羅茨流量計，其精度為 ± 1． 0 % ，流量范圍為 0． 5 ～ 65 m3 /h，輸出脈沖信號和 4 ～ 20 mA 電流信號。

3． 2 實驗過程

該實驗過程如下: 1)  校準標準表。2) 將標準表運送到客戶端現(xiàn)場，實現(xiàn)標準的遠程傳遞。3) 安裝標準流量計和被檢流量計，進行遠程校準實驗，測量數(shù)據(jù)傳送到校準實驗室。4) 校準完成后將標準表運回校準實驗室。圖 7 為遠程標準實驗示范圖。

3． 3  實驗結(jié)果

選取 60，35，14 m3 /h 三個流量點開展校準實驗，數(shù)據(jù)采集終端同步采集標準表、被檢表和傳感器的脈沖信號和電流信號，計算出出流量、溫度、壓力和濕度等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)實時準確地傳送到遠傳校準軟件平臺，平臺接收數(shù)據(jù)，并自動分析出校準結(jié)果。

3． 4  數(shù)據(jù)分析

測量結(jié)果的不確定度主要有兩部分組成: 校準裝置的B 類不確定度和測量數(shù)據(jù)的 A 類不確定度。

1) 校準裝置不確定度

主要來源是標準流量計的不確定度和溫度、壓力、濕度和時鐘等引起的不確定度。

渦輪流量計經(jīng)校準的等級為 0． 5 級，視作 U ( E1 )  =0． 5 % ，k=2，即 ur ( E1 ) =0． 25 % 。

時鐘晶振為 8 Mz，其精度為 ± 50 μs，保守估計時間不確定度為 ur ( t)  =0． 01 % ; 由于實驗中脈沖采集時間相對較長，其時間不同步引起的誤差可忽略不記。

壓力變送器的精度為 0． 075 % ，按均勻分布計算得到

u3 =0． 075 % / ( 2 ×  3 ) =0． 02 % ．

標準表處與被檢表壓力的合成不確定度為

4.結(jié)論

系統(tǒng)運行 6 個月，開展遠程校準實驗數(shù) 10 次，運行穩(wěn)定，平臺與數(shù)據(jù)采集終端通信良好，數(shù)據(jù)傳輸實時準確，能滿足遠程校準實際使用要求，將在能源企業(yè)開展示范工程，為能源計量器具遠程校準提供技術(shù)支撐。