氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

為了探索氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)方法，對(duì)其遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了研究。闡述了量值傳遞和遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)，研制數(shù)據(jù)采集終端，開發(fā)校準(zhǔn)軟件平臺(tái)，并建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明: 數(shù)據(jù)采集終端與平臺(tái)通信良好，數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳送，校準(zhǔn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，得到該遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度為 0． 52 % ( k =2) ，系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用的可行性。

0.引 言

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)量校準(zhǔn)更快捷和低成本，因此得到了快速的發(fā)展。目前，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)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(duì)生產(chǎn)車間計(jì)量檢測設(shè)備的校準(zhǔn)迫使其大力發(fā)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù) 。在能源計(jì)量器具遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方面美國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院 ( NIST) 開展了氣體流量計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)，德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究院( PTB) 進(jìn)行了高壓天然氣流量基準(zhǔn)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，日本計(jì)量院( NMIJ) 開展的項(xiàng)目很多，其中也包括流量計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

2005 年，日本在海外與 公司對(duì)記錄儀、流量計(jì)時(shí)間頻率進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，開始了遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，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(yuǎn)程校準(zhǔn)代理系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)顯示該方法具有實(shí)際應(yīng)用有效性 。在 2008 年的計(jì)量技術(shù)研討會(huì)上，關(guān)于電能表的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)提上了議程 ，各國都在開展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的研究。

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

測 ，但對(duì)于其他天然氣流量計(jì)如羅茨流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)研究較少。

本文提出并設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)法的氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，研制了數(shù)據(jù)采集終端，開發(fā)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)，***后搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.原理與計(jì)算模型

1.1遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理

本文采用標(biāo)準(zhǔn)表法設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，其原理如圖 1所示。首先溯源標(biāo)準(zhǔn)表，可靠的量值溯源鏈?zhǔn)沁h(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)采用了被檢表( 現(xiàn)場) —標(biāo)準(zhǔn)傳遞表—標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值溯源鏈; 當(dāng)需要校準(zhǔn)流量計(jì)時(shí)，再將其轉(zhuǎn)移到校準(zhǔn)現(xiàn)場，進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn); 獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回到軟件平臺(tái)( 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室) ，平臺(tái)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到校準(zhǔn)結(jié)果; ***后再將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)返到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

1． 2 計(jì)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(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)等，校準(zhǔn)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(jì)

2． 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集終端和標(biāo)準(zhǔn)表等。圖 2 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)硬件主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集終端、標(biāo)準(zhǔn)表、閥門、濕度計(jì)、溫度和壓力傳感器等。其中，計(jì)算機(jī)在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，其余設(shè)備安裝在校準(zhǔn)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(hào)，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(biāo)準(zhǔn)表入口壓力。溫度傳感器輸出4 ～ 20 mA 電流信號(hào)，其測量環(huán)境溫度以及被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的入口溫度。濕度計(jì)用于測量空氣濕度。

信息采集器主頻較高，計(jì)時(shí)模塊使用信息采集器內(nèi)部定時(shí)器，其計(jì)數(shù)時(shí)鐘使用主頻時(shí)鐘，計(jì)時(shí)精度高。基站采用雙計(jì)時(shí)法檢定原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使校準(zhǔn)保持“同步”。

2． 2 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)采用 LabVIEW 軟件作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，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(chǔ)等。平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)接收基站傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理分析，生成證書并存儲(chǔ)，其流程圖如圖 3。

軟件平臺(tái)主要有三個(gè)子程序模塊: 其一為數(shù)據(jù)處理模塊，用來對(duì)數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和存儲(chǔ)并顯示校準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)信息和數(shù)據(jù)，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)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(zhǔn)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(hào)采集模塊、2 路脈沖信號(hào)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(tái) QT /E 作為開發(fā)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置并與信息采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，基站可以匹配多個(gè)信息采集器，組成無線自組網(wǎng)絡(luò)?；九c平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)通信，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，選擇 TCP 傳輸協(xié)議。程序流程圖如圖 5，程序運(yùn)行

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

3.實(shí)驗(yàn)與分析

3． 1  實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，由氣泵、流量計(jì)、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(jì)、氣體羅茨流量計(jì)和氣體渦輪流量計(jì)等作為計(jì)量器具，該裝置中即以這三種流量計(jì)作為研究對(duì)象，通過對(duì)閥門開閉的控制實(shí)現(xiàn)流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)表選用渦輪流量計(jì)，其精度為± 0． 50 % ，流量范圍為 6 ～ 100 m3 /h，輸出信號(hào)為 4 ～ 20 mA

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

3． 2 實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)過程如下: 1)  校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表。2) 將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)送到客戶端現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程傳遞。3) 安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)傳送到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。4) 校準(zhǔn)完成后將標(biāo)準(zhǔn)表運(yùn)回校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。圖 7 為遠(yuǎn)程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)示范圖。

3． 3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取 60，35，14 m3 /h 三個(gè)流量點(diǎn)開展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集終端同步采集標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表和傳感器的脈沖信號(hào)和電流信號(hào)，計(jì)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送到遠(yuǎn)傳校準(zhǔn)軟件平臺(tái)，平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，并自動(dòng)分析出校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)裝置不確定度

主要來源是標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的不確定度和溫度、壓力、濕度和時(shí)鐘等引起的不確定度。

渦輪流量計(jì)經(jīng)校準(zhǔn)的等級(jí)為 0． 5 級(jí)，視作 U ( E1 )  =0． 5 % ，k=2，即 ur ( E1 ) =0． 25 % 。

時(shí)鐘晶振為 8 Mz，其精度為 ± 50 μs，保守估計(jì)時(shí)間不確定度為 ur ( t)  =0． 01 % ; 由于實(shí)驗(yàn)中脈沖采集時(shí)間相對(duì)較長，其時(shí)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(jì)算得到

u3 =0． 075 % / ( 2 ×  3 ) =0． 02 % ．

標(biāo)準(zhǔn)表處與被檢表壓力的合成不確定度為

4.結(jié)論

系統(tǒng)運(yùn)行 6 個(gè)月，開展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù) 10 次，運(yùn)行穩(wěn)定，平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集終端通信良好，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，能滿足遠(yuǎn)程校準(zhǔn)實(shí)際使用要求，將在能源企業(yè)開展示范工程，為能源計(jì)量器具遠(yuǎn)程校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。