昆山科爾源儀器儀表有限公司
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閱讀：38發(fā)布時間：2025-7-6
當前，氣體流量的準確計量越來越受到重視。檢定氣體流量計的標準裝置種類多樣，使用較普遍的有PVTt法、標準體積管法、鐘罩法、音速噴嘴法等。其中，PVTt法和標準體積管法通常僅在流量儀表研究機構(gòu)和計量部門設(shè)置，用來校驗其他標準流量計；鐘罩法由于體積有限，主要適用于小流量、低差壓和小管徑的氣體儀表檢定；音速噴嘴法結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。本文介紹一種基于標準渦街流量傳感器組合比較法的氣體流量自動檢定裝置， 由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，很多中小流量儀表生產(chǎn)企業(yè)都可采用。作為貿(mào)易結(jié)算的計量儀表，需要定期復(fù)檢，大量儀表的復(fù)檢費用也是很大一筆開支，因此，熱力公司、天然氣公司等大宗氣體流量計用戶都可以依本文所介紹的方法，建造自己的流量計檢定裝置。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
在該檢定裝置中，計算機通過串行口與變頻器進行通信，控制鼓風(fēng)機產(chǎn)生相應(yīng)的氣體流量，依次經(jīng)過串聯(lián)在一起的標準渦街流量傳感器組合、被校表，以及各自的壓力傳感器和溫度傳感器，經(jīng)出風(fēng)口排空。管道的安裝應(yīng)符合流量儀表對前后直管段的要求。傳感器把流量、溫度、壓力等必需的校驗信號分別經(jīng)數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡和模擬量數(shù)據(jù)采集卡送人計算機中，按照流量儀表的檢定規(guī)程，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并控制出風(fēng)口的閥門開度和鼓風(fēng)機的鼓風(fēng)量，從而對不同流量點進行校驗，實現(xiàn)氣體流量儀表的自動檢定。完整的系統(tǒng)框圖見圖1。
2 硬件設(shè)計
2.1 標準表選擇
渦街流量計具有結(jié)構(gòu)簡單， 內(nèi)部無可動部件，使用壽命長，量程比大，重復(fù)性好，壓損小，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)點，在蒸汽、天然氣及其他氣體的流量計量中廣泛使用。目前，我國的氣體渦街傳感器的標準度一般在0.5級~1級的水平上，從準確度的水平上看，無法作為0.5級標準傳感器使用，但是這類儀表的范圍度很寬，一般都在10:1-15:1左右，而且重復(fù)性很好，均在0.2%以內(nèi)，甚至于更高， 如采用壓縮范圍度在定點標定是提高準確度的有效方法。中國計量科學(xué)研究院蘇彥勛研究員的大量試驗研究工作的結(jié)果表明，若范圍度壓縮到2:1或3:1以內(nèi)，在定點標定均能滿足要求，因此使用該傳感器標準建立氣體流量裝置是可行的。該裝置由7臺口徑為DN=40~150mm的標準傳感器并聯(lián)組合與被檢測的傳感器（DN=50~250mm）比較。裝置管路按對角線方向平行排列，既節(jié)省原材料，降低了造價，又恰好滿足各種口徑傳感器前直段的要求（根據(jù)國家標準ZBN12005- 1989或規(guī)程JJG643-1994）―標準傳感器前直管段長大于50DN，被檢測傳感器前直管段長大于20DN，使阻力損失降到最小值。用原流量標準檢測裝置定點檢定標準表，其基本誤差均不超過±0.2%，符合標準表法裝置要求。為提高裝置精度，可以對標準表的數(shù)據(jù)進行誤差補償。裝重置的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2 數(shù)據(jù)采集卡
目前，市場上的數(shù)據(jù)采集卡種類繁多，根據(jù)本裝置的要求，選購時應(yīng)注意：
① 安全要求。為實現(xiàn)與被測對象和現(xiàn)場環(huán)境的電氣隔離，具有較強的抗干擾能力和自我保護能力，應(yīng)選擇帶有光電隔離功能的數(shù)據(jù)采集卡。這樣，可以確保由于意外接入高電壓信號時，不會損壞數(shù)據(jù)采集卡和計算機。
② 信號類型。檢定裝置中，計算機要處理模擬量和數(shù)字量二類信號，因此必須考慮數(shù)據(jù)采集卡所能接受的信號類型，且要注意輸入信號通道數(shù)量。
③ 計數(shù)功能。由于檢定軟件主要是對標準表、被校表的脈沖信號進行計數(shù)，因此必須選用帶有硬件計數(shù)功能的數(shù)據(jù)采集卡，即該卡帶有8254可編程計數(shù)/定時器芯片，可以大大方便相應(yīng)的軟件設(shè)計。
④ A/D，D/A的精度。根據(jù)對模擬量信號的不同要求，應(yīng)選用相應(yīng)位數(shù)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換精度的采集卡，一般要求12位。
⑤ 總線插槽。根據(jù)計算機內(nèi)總線插槽的類型，選用PCI類型卡還是ESA類型卡。
另外，還應(yīng)考慮價格因素。不同公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，價格相差懸殊，在滿足上面要求的前提下，可以選擇價格適中的采集卡。
2.3 溫度、壓力傳感器
氣體的體積與溫度、壓力等參數(shù)有密切的關(guān)系，對于標準表和被校表測得的氣體流量，必須進行相應(yīng)的溫度、壓力補償，因此本檢定裝置中，在標準表和被校表的前后，分別安裝溫度傳感器和壓力傳感器?？紤]到要用計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理，應(yīng)選用可以將溫度、壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。在此選用轉(zhuǎn)換為4~20mA的傳感器，經(jīng)250Ω標準電阻器轉(zhuǎn)換為1~5V后，輸入模擬量數(shù)據(jù)采集卡，被計算機接收和處理。
2.4 其他硬件設(shè)備
鼓風(fēng)機應(yīng)根據(jù)所需的氣體流量選擇合適的型號。變頻器應(yīng)根據(jù)電壓、電流等參數(shù)選擇。閥門控制器和調(diào)節(jié)閥按照要求選擇即可。
3 軟件設(shè)計
3.1 編程軟件平臺的選擇
由于Visual C++開發(fā)工具是非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，具有功能*，程序開發(fā)簡單，功能擴展方便等優(yōu)點，已成為Windows系統(tǒng)平臺上非常*的、生命力的應(yīng)用軟件開發(fā)工具， 因此本系統(tǒng)的軟件也采用該開發(fā)工具實現(xiàn)[2]。Windows 98及更高版本的操作系統(tǒng)均可作為其運行平臺。
3.2 標準表數(shù)據(jù)補償
標準表是由更高級別的檢定裝置檢定的，在本裝置中作為標準用來檢定其他儀表，屬于標準傳遞。標準表的數(shù)據(jù)越接近真實值，檢定出的數(shù)據(jù)就越準確。因此，對標準表的數(shù)據(jù)進行補償是非常重要的一步。
因為對于每一個流量點來說，多次檢定結(jié)果均不會相同，所以檢定標準表時，每個流量點均應(yīng)檢定6次，然后對該數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，取其期望值作為該流量點的檢定數(shù)據(jù)。
進行數(shù)據(jù)補償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，常用的是最小二乘法[3]，在此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自聯(lián)想功能以及良好的容錯性和高度并行性等特點， 已廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域中，應(yīng)用、最成功的是基于誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法（BP）的前饋網(wǎng)絡(luò)。
前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)不僅有輸入層結(jié)點、輸出層結(jié)點，而且有隱層結(jié)點。當信號輸入時，首先傳到隱結(jié)點，經(jīng)過作用函數(shù)后，再把隱結(jié)點的輸出信號傳播到輸出層結(jié)點，經(jīng)過處理后輸出結(jié)果。學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成，在正向傳播過程中，輸入信號從輸入層經(jīng)隱層單元逐層處理并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)，同一層神經(jīng)元之間不發(fā)生聯(lián)系。如果在輸出層不能得到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將輸出信號的誤差沿原來的連接通路返回。通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，使誤差信號最小。
本裝置中標準表的數(shù)據(jù)作為輸入輸出樣本集，分別只有一組，因此輸入層和輸出層的結(jié)點數(shù)均為1。利用該樣本集首先對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，也就是對網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)系數(shù)進行學(xué)習(xí)和調(diào)整。目標是調(diào)整連接權(quán)系數(shù)以使代價函數(shù)E最小。在此采用最速下降法，其關(guān)鍵是計算優(yōu)化目標函數(shù)對尋優(yōu)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)[4]。
3.3 串口通信
針對32位Windows平臺的串行通信有多種途徑，使用了Visual C++的封裝類的概念，設(shè)計了功能完備的、對串行通信進行全面管理的Win32Port類，為了能隨時響應(yīng)串行口的輸入、輸出信息，使用了VC的多線程技術(shù)，用不同的線程進行讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)和接收狀態(tài)信息[5]。這幾個工作線程以基本相同的方式運轉(zhuǎn)，包含在3個節(jié)的無限循環(huán)中運行。第1個節(jié)為變量活動設(shè)置請求，其中包括輸入、輸出和狀態(tài)通知。所有這些活動都應(yīng)該很快發(fā)生。循環(huán)的第2個節(jié)包括對多個事件的等待。結(jié)果事件可以是響應(yīng)循環(huán)中部分設(shè)置的請求，也可以是程序主線程的消息。最后，循環(huán)的末尾包含了管理那些被檢測事件的響應(yīng)。完成了所有這些操作之后，循環(huán)會再次重復(fù)執(zhí)行。
3.4 程序設(shè)計
軟件主要包括：操作界面的設(shè)計，各種檢定參數(shù)的輸入，流量的控制，數(shù)據(jù)的準確采集，數(shù)據(jù)補償和計算，檢定結(jié)果的保存和打印等。程序流程圖如圖4所示。
其中數(shù)據(jù)的準確采集非常重要，根據(jù)所選的數(shù)據(jù)采集卡的說明書，確保連線正確，采用廠家提供的測試軟件，測試線路連接及采集卡安裝是否正確，然后再編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序。由于是計量一段時間內(nèi)的脈沖數(shù)，因此時間間隔的精確確定非常重要，數(shù)據(jù)采集卡的主頻一般為lMHz，可以作為時間基準，足以保證計算結(jié)果的準確性。
根據(jù)檢定規(guī)程的要求，對標準表的數(shù)據(jù)補償后，再對標準表和被校表的數(shù)據(jù)進行溫度、壓力修正，計算出被校表的精度等級、儀表系數(shù)等參數(shù)。然后根據(jù)用戶的要求，存貯或者打印數(shù)據(jù)。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運行，表明系統(tǒng)具有投資少、標定精度高、操作簡便、用戶界面友好等優(yōu)點，系統(tǒng)的各項技術(shù)指標均達到設(shè)計要求。多家流量儀表生產(chǎn)廠家依照所述方法設(shè)計標準表法檢定裝置，使用效果良好，評價較高。
參考文獻
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[3] 張法全，沈憲章，李建生.標準表法流量標準裝置的設(shè)計[J].自動化儀表，2003（4）：27-30
[4] 閻平凡，張長水.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模擬進化計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001
[5] Mark Nelson.串行通信開發(fā)指南[M].北京：中國水利水電出版社，2001
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