现场服务型标准表法流量测试装置

侯学青 ，李 斌 ，程 超

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海201114；2.上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072）

现场服务型标准表法流量测试装置

侯学青1，李 斌2，程 超2

（1.上海市质量监督检验技术研究院，上海201114；2.上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072）

该文在比较分析传统流量参数测试方式的基础上，设计了一种现场服务型流量测试装置，用于解决水流量参数测试装置现场高精度计量检测的问题。整套装置以水为介质，以科里奥利流量计作为标准表组，以变频调速加稳压罐作为二级稳压系统，以LabVIEW软硬件平台作为开发系统。所设计的装置小巧轻便，可以车载到现场进行快速标定，节省了因流量计拆卸送检引起的待机时间，大大提高了企业生产效率。该装置填补了国内水流量现场计量测试的技术空白。

流量测试装置；现场服务型；标准表法；质量流量计；LabVIEW

随着国家政策的调整，计量校准市场竞争加剧，以客户需要为本的理念已深入人心[1]。现有的流量测试装置均为固定式，且十分庞大，流量计量时需要将流量计全部拆下送至计量单位，检测后再取回重新安装到生产线上，一般要花费一周左右的时间，大大降低了生产效率[2]。尽管出现了将便携式超声波流量计作为标准表，安装在现场管道上进行测试的离线实流检测的方法，但由于管道污垢、管道锈蚀、介质污染等因素，超声波流量计作为标准表的自身测量误差会很大，无法满足企业高精度的工艺控制要求[3]。在此，设计了一种现场服务型标准表法流量测试装置，以车载的形式到现场进行流量标定。目前整套装处于研发阶段，软硬件平台尚需经过调试试验，一旦测试完成，该装置对于推动国家现场流量计量的发展，提高企业生产效率具有重要的意义。

1 理论技术依据

根据JJG 643—2003标准表法流量标准装置检定规程要求，一套完整的标准表法流量测试设备由水箱、试验管道、标准流量计、流量调节阀、压力计、温度计及其他辅佐仪器组成[4]。其典型结构如图1所示，其基本工作原理如下：液体在相同时间距离内，连续通过标准表组和待检表的质量流量是相等的，因而通过将2个流量计的示值比对，就能够达到标定待检表的功能，确定待检表的精度、不确定度等参数[5]。

图1 标准表法工作原理Fig.1 Operating principle of master meter method

2 系统构成

该装置的设计在符合国家标准的基础上进行了改进创新，很好地满足了现场服务的要求。其系统结构如图2所示，主要由水箱、变频水泵、稳压罐、气泵、开关阀门、标准表组、待检表、流量调节阀、监控流量计、PXI机箱、PC及各种传感器组成。将LabVIEW平台作为标定系统的软件测试核心，下位机采用PXI机箱配备各种板卡来完成数据采集及控制工作，上位机PC采用LabVIEW来开发人机交互界面。

图2 系统构成Fig.2 System components

系统分为稳定水流供应部分和流量参数测试部分。稳定水流供应部分采用变频调节加稳压罐的两级稳压系统，以保证水流稳定，减小误差。流量参数测试部分对标准表和待检表的脉冲进行采集，由脉冲当量换算成实时的流量值，同时采集附加传感器的值，对标定结果进行补偿，并将结果显示在人机界面上，最后根据需要由打印机打印出相应的原始记录和证书。

3 硬件设计

3.1 装置机械结构

如图3所示，本装置由检测单元、稳压单元、供水单元等3部分构成，3部分均装有锁紧子，方便车载到现场。供水单元由2台变频泵和水箱组成，通过PID控制器来控制变频器的输出频率，从而改变电机转速，实现流量点的自动调节。在稳压单元中，通过软管连接置于检测单元和供水单元之间，通过补气、放气来保证罐内气体压力恒定，对管道流体进行很好的缓冲，保证了水流的稳定，因此可以提高流量检测装置的检测精度。在检测单元中，通过拉柱倾斜在检测装置机体内安装标准表组（质量流量计），每个标准表管路设置1个三片阀来选通标准表，车体内安装控制柜，完成装置的数据采集及控制任务。

图3 装置机械结构Fig.3 Mechanical structure of the facility

另外，在标准表附近特别安装了震动传感器，用于测量测试装置的震动频率，测得的频率在控制柜的显示单元显示，当测试装置的震动频率超过设定值时发出报警，此时需调节测试装置，使得测试装置的震动频率在规定的范围内。试验表明，当测试装置的震动加速度超过1g时，会影响标准表正常工作，因此当震动传感器测试到测试装置的震动加速度达到1g时，发出报警。

3.2 标准表组

为解决标准表法测量精度不高的问题，系统配备3台E+H公司的Promass 83F不同口径高精度的质量流量计。该系列质量流量计所需的安装空间小，无前后直管道的要求，很好地适合本装置现场服务的需求。其主要参数如表1所示。

表1 质量流量计参数Tab.1 Parameters of mass flowmeter

3.3 水源稳定系统

经分析比较流量标准装置常用稳压方法[6]（如水塔稳压、容器稳压、变频稳压、变频加容器稳压法），选择变频加容器二级稳压法，充分利用其压力范围大、设备费用低、占用体积小和流量范围宽等优点，完成本装置的水源稳定控制[7]。其工艺流程如图4所示。

图4 二级稳压系统工艺流程Fig.4 Technological process of two stage voltage stabilizing syste

一级变频稳压对离心泵进行串级PID控制，以被检表前的流量为主控制变量，实现最终出口流量的稳定；以泵出口压力作为副控制变量，减少离心泵因为电源电压和频率的不稳引起的转速变动，从而能更好保证泵出口压力的稳定。

二级容器稳压选用立式稳压罐消除泵出口的高频脉动。通过差压传感器测量罐内压力，微机控制电磁阀进行补气、放气，使压缩空气压力保持在0.3～0.4 MPa，从而对流体流动波动进行了缓冲，使流体中的气泡析出，保证了流体的稳定。整个罐体容积设计满足最大流量为45 m3最大压力为0.3 MPa，输出流量压力波动值在0.1%以内。

3.4 数据采集及控制系统

相对于传统的单片机、PLC等控制方式，虚拟仪器技术因其高效灵活的软件和高性能的集成模块化硬件，使其在自动化测试领域得到了快速发展，极大地缩短了产品的开发周期[8]。为了保证流量测试装置具有较高的可靠性，在硬件上要考虑到工业现场的实际情况，满足可测试性、可扩展性和可维护性要求。在此选用美国国家仪器（NI）公司的PXI系统作为硬件开发平台，配合相应的板卡，来完成数据采集及控制任务。其配置参数如表2所示。

表2 PXI机箱配置参数及功能Tab.2 Configuration parameters and functions of PXI chassis

整个控制系统如图5所示。PXIe-8840板卡作为实时目标端 （RT Target），PC作为主机端（Host PC），它们分别运行实时操作系统和Windows操作系统。目标端的数据采集及变频控制程序和主机端的数据监控处理程序，通过以太网连接来进行数据交互。PXIe-4302板卡完成传感器的4～20 mA电流信号采集，PXIe-6614完成流量计的脉冲/频率计数及状态信号采集，PXI-8433完成对变频器的控制。

图5 控制系统结构Fig.5 Structure of control system

4 软件设计

LabVIEW是图形化的开发环境，提供了大量的函数和控件，它无需人们掌握较多的软件编程基础，就可以简单方便地开发数据采集和控制程序，同时设计出专业、美观的用户界面[9]。如图6所示，该装置的软件开发系统主要完成用户管理、系统设置、信息录入、检定参数设置、标定监控、业务管理等6个功能。

图6 人机交互界面框图Fig.6 Block of human-computer interaction interface

5 结语

标准表法流量标准装置的精度取决于标准流量计的精度，提高了标准表的精度即提高了装置的精度。本文采用E+H的0.05级科里奥利质量流量计作为标准表组，并配合变频调速和稳压罐的二级稳压，在所有参数被严格控制和可测量的前提下，可以期望装置的相对扩展不确定度达到或优于0.2%（k=2），满足了高精度测试的需求。整套装置适用口径DN8-80的仪表标定，水流量标定范围为0.5～38 m3/h。

同时，整套流量标准装置可车载到现场进行流量计的标定工作，运用LabVIEW做成的人机交互界面，从客户委托单信息录入、到不同流量点检定、再到报表生成，整个标定流程在现场操作灵活，节省了大量人力物力，提高了企业的生产效率。同时可以将该技术成果转化为产品，在全国质检行业推广，以提高国内现场流量标定水平。

[1] 赵宁.移动式气体流量标准装置的研制[D].保定：河北大学，2010：9-10.

[2] 石建荣，赵作广，周轶，等.移动式双罗茨标准表法气体流量标准装置[J].中国计量，2013，18（7）：68.

[3] 颜一凡，刘勇，龚峰.便携式超声波流量计在管线测量中的应用[J].中国计量，2010，15（3）：106.

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[6] 何子延.水流量标准装置变频加容器稳压系统研究[D].天津：天津大学，2010.

[7] 李宝.水流量标准装置变频调速稳压系统研究[D].天津：天津大学，2009.

[8] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011：20-22.

[9] 徐国微.虚拟仪器技术在流量计检定中应用研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2009.

Flow Test Facility for Field Service Based on Master Meter Method

HOU Xue-qing1，LI Bin2，CHENG Chao2
（1.Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research，Shanghai 201114，China；2.School of Mechatronical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

On the basis of comparing and analyzing the traditional flow parameter testing methods，a field service flow test facility is designed to solve the problem of high accuracy measurement of water flow parameter test device.The whole device takes water as the medium，and the Coriolis flowmeters are used as master meters.The variable frequency pump and the surge tank are acted as the secondary regulation system，and the hardware and software platform of LabVIEW are used as the development system.The entire facility is small and light weight so that it can be carried to the scene for rapid calibration.It saved the standby time caused by the disassembly and examination of the flowmeter and greatly improved the production efficiency of the enterprise.The device fills the technical blank of field measurement and measurement of domestic water flow.

flow test facility；field service；master meter method；mass flowmeter；LabVIEW

TB937

A

1001-9944（2017）11-0024-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.006

2017-06-12；

2017-09-06

侯学青（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为自动化仪表。