便携式气体流量标准装置的研制

陈世砚　刘辰魁　赵　宁　牛立娜

(河北省计量监督检测院，石家庄 050051)

0　引言

天然气作为清洁能源在大中城市及县级城镇得到了广泛使用，一个中小县城的商业燃气用户有上百户，这些商业用户使用的燃气表或气体流量计有以下特点：一是流量范围在1～200m3/h以内；二是准确度等级在1.5级及其以下；三是单气路设计，没有备用表。商业燃气表或流量计用于贸易结算，按照国家《计量法》应进行周期检定，为解决城镇商业燃气用户使用的燃气表或流量计的周期检定，研制了便携式气体流量标准装置，到各县级城镇进行气体流量周期检定、校准服务。

该装置研制的依据和要求：JJG 577—2012《膜式燃气表》[1]中7.3.4.3规定。由于将装置运输到当地进行检定，要求装置具备体积小、重量轻、易拆解组合、便于车载和计数准确等特点，本装置以空气为介质，具备正压、负压两种检测方法。

1　设计原理、工作流程及装置结构

1.1　设计原理[2]

利用3台标准表并联，实现最大流量检定点的要求；利用1台腰轮流量计[3]实现最小流量检定点的要求；使用各标准表的最佳测量范围，提高装置的线性度；加大标准表的脉冲输出频率，提高标准装置的测量重复性；采用脉冲插入法原理，提高计数的准确性；适时进行温度、压力补偿，提高装置的环境适应能力；使用计算机程序控制，提高检测的自动化程度。装置结构设计原理如图1所示。

图1　装置结构设计原理图

1.2　工作流程

通过温度、压力传感器分别采集标准流量计、被检流量计及工作环境的温度、压力信号；流量传感器采集标准流量计和被检流量计处的流量信号；信号通过数据采集卡采集后送入计算机进行处理，进而在人机界面显示装置的实时工作状态及参数，并对检测结果进行处理。工作流程如图2所示。

图2　工作流程图

1.3　装置结构设计

本装置由测量系统、数据采集处理系统和气源三大部分组成。

测量系统是装置的核心部分，主要由测量装置和辅助设备构成。测量装置由2台涡轮流量传感器[4]和1台腰轮流量传感器并联组成，以满足常用流量检测的技术要求；辅助设备主要由球形阀、连接管路、整流装置、阀门及管件等组成。

整流装置由整流筒，进、出气口，并联管路接口组成。其根据3台标准流量计压力损失的不同，合理地分布并联管路与进、出气口的位置，在检测最大流量的情况下使气流平均地在3条管路间分配。

阀门组由3个与测量管路的直径相同的球阀组成，安装在测量管路的下游端，2台标准涡轮流量计后端的阀门，采用全开全闭的方法使用，此阀门可作为下游直管段的一部分，节约了管路长度，减小了装置重量。

气源可转换气体流动方向，在测量系统两端实现转换，正压检测时连接在测量系统的进气口，负压检测时，连接在测量系统的出气口。

数据采集处理系统主要由数据采集模块、数据计算模块、电源、计算机、数据处理程序、检测控制程序、输入和输出程序等组成。

2　软件系统设计及程序流程图

自动检定软件主要由信息录入系统、检定系统、原始记录打印系统和数据库四部分组成。其中检定系统为本软件的核心，由手动检定系统、自动检定系统、流量调节系统和检定中断系统四部分组成。软件结构图如图3所示。

图3　软件系统结构图

打开系统后录入被检信息，设置检测方式、参数等，选择自动检定方式，装置开始自动调节流量、采集流量、压力、温度、大气压力、环境温度等数据，到达设定目标后，自动进行数据处理，生成原始记录，自动保存并将结果显示在屏幕和输出到打印机。

选择手动检定方式，手动调节流量，手动选择开始、结束检定时机，手动输入压力、温度、大气压力、环境温度等数据，自动读取流量数据，手动停止检定后，自动进行数据处理，生成原始记录，自动保存并将结果显示在屏幕和输出到打印机。具体的检定流程图见图4。

图4　检测程序流程图

3　主要技术措施

3.1　标准器组

1)采用3台标准表并联：即1台JLQ-65A腰轮流量计和2台LWQ-A-100涡轮流量计作为计量检定和校准的标准，组合测量时总流量上限达260m3/h，可以覆盖一般商业用户和工业用户计量仪表的流量范围。

2)采用两台DN50涡轮流量计，实现对流量范围10～220m3/h速度式流量计的检定；采用一台DN50腰轮流量计，实现对流量范围3.2～65m3/h容积式流量计或燃气表的检定；3台标准流量计并联实现对流量上限小于260m3/h流量计的检定。该装置适用于1.5级及其以下流量计的周期检定和使用中检验。

3)利用现代电子技术和计算机技术在流量积算时对流量系数进行修正，使标准装置在测量范围内，线性度接近直线，保证了装置的准确度。采用脉冲插入法对脉冲计数进行准确计算，使用计算机技术对检测数据进行自动采集与处理，按规程打印检定或校准原始记录及证书报告。

4)腰轮流量计量程比宽，适合测量容积式流量计和小流量测量；涡轮流量计气体流态稳定，适合测量速度式流量计，提高测量准确度。两种测量原理的标准表结合使该装置具有较强的适应力。

5)为了提升标准流量计的测量重复性，在腰轮标准流量计的输出轴上安装了光电编码器，在涡轮标准流量计的旋转轴上增加了磁钢数量，提高了标准流量计输出脉冲的频率，使测量重复性大大提高，保证每一台标准流量计使用流量点的测量不确定度在0.5%以内。

6)大大减小了整个测量系统的体积，降低整套装置的重量，提升了整套系统的可移动性，易于实现车载，真正做到把测量技术送到用户门口。

3.2　补偿系统

1)压力的测量。大气压力测量选用0.1级罗斯蒙特3051C绝压传感器和变送器，其测量范围为50～106kPa。每台标准流量计的压力测量均选用0.1级罗斯蒙特3051型差压传感器和变送器，其测量范围为-15～15kPa。

2)温度的测量。采用不锈钢外壳的A级Pt100和0.2级温度变送器。热电阻以10℃为间隔逐点标定阻值，以修正热电阻误差。标准表上的热电阻，其插入位置均为管路中心处，保证每支温度传感器的测温可靠性。通过以上措施确保温度测量不确定度控制在0.2%。

3.3　管路设计

为了减小风机转动引起脉动流和降低流场的扰动，采取了以下措施：1)通过延长软管增加了风机与标准表系统之间的距离；2)在标准表与风机之间增加了一个为10L的整流装置；3)在涡轮流量计进气口处安装了50cm长的直管段。

为了降低整个装置的重量，选用重量相对较轻，体积相对较小的球形阀，依据检测流量范围的不同，人工选择打开或关闭某条管路。设计了标准表管路汇集罐，实现了多表组合测量。

3.4　气源系统

气源系统给装置提供检测空气，根据检测需要有两种方式控制气体流量大小：一是通过人机交互界面人工控制变频器；二是通过程序自动控制变频器，达到控制风机电机转速，实现不同流速的目的。通过测试验证检测流量大于10m3/h时，调节流量与预设流量偏差在5%以内，符合设计要求。

3.5　控制系统

控制系统由控制模块、计数模块、晶振电路、电源、变送器、控制软件等组成，根据检测对象的不同，在计算机程序的控制下进行检测工作。分两种检测方法：一种是自动检测方法，对有输出脉冲信号的被检表，或能够将信号转换成脉冲，如颜色差别，采用自动检测方法，由脉冲信号控制检测开始与结束；另一种是手动检测方法，对没有脉冲输出，或无法将显示内容转换成脉冲输出的被检表，采用手动检测方法，通过人眼目视被检表显示数据，手动控制触发按钮，适时选择开始与结束。每种检测方法均有膜式燃气表、容积式流量计、速度式流量计3种被检表选择项，检测程序根据不同的被检表工作原理，选择不同的检测步骤，提示检定员做些辅助操作，程序自动记录所需检测数据项，与之相应的检定规程匹配，检测完成后自动生成符合该检定规程的原始记录。

4　结束语

该装置通过音速喷嘴气体流量标准装置检定[5]，整个装置的扩展不确定度为0.532%(k=2)[6]。便携式气体流量标准装置研制成功，为我省县级城镇商业燃气用户使用的燃气表和气体流量计周期检定提供了技术保障，减少了燃气用户进行燃气表周期检定成本，为省政府提出的“气化河北”、“县县通”目标和改善“京津冀”空气质量做出了贡献。

[1]JJG 577—2012膜式燃气表检定.北京：中国计量出版社，2012

[2]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试.北京：中国计量出版社，2007：371-387

[3]JJG 633—2005气体容积式流量计检定规程.北京：中国计量出版社，2005

[4]JJG 1037—2008涡轮流量计检定规程.北京：中国计量出版社，2008

[5]JJG 643—2003标准表法流量标准装置检定规程.北京：中国计量出版社，2003

[6]李金海.误差理论与测量不确定度评定.北京：中国计量出版社，2003 ：120-236