摘 要：流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)控制中的一個(gè)重要參數(shù)，目前，用于流量測(cè)量的流量計(jì)型式多種多樣，而脈沖信號(hào)輸出的流量計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文就脈沖信號(hào)流量計(jì)檢定/校準(zhǔn)中，其儀表系數(shù)K的兩種實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析。

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    流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)控制中的一個(gè)重要參數(shù)，目前，用于流量測(cè)量的流量計(jì)型式多種多樣，而脈沖信號(hào)輸出的流量計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文就脈沖信號(hào)流量計(jì)檢定/校準(zhǔn)中，其儀表系數(shù)K的兩種實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析。

    一、脈沖信號(hào)流量計(jì)儀表系數(shù)K的定義

    流量計(jì)輸出為脈沖信號(hào)時(shí)，該脈沖信號(hào)的頻率f與流過(guò)管道的體積流量q_v成正比，其比例系數(shù)即為流量計(jì)的儀表系數(shù)K，即

      （1）

    在同一時(shí)間內(nèi)，流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)N與流過(guò)管道的流體體積V成正比，其比例系數(shù)也為流量計(jì)的儀表系數(shù)K，即

      （2）

    在流量計(jì)的檢定中，通常用流量計(jì)儀表系數(shù)K的誤差來(lái)評(píng)價(jià)流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)。我所研制了主動(dòng)式體積管油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，用來(lái)完成各式流量計(jì)的檢定/校準(zhǔn)工作。該裝置的測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量原理圖

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)油缸內(nèi)活塞產(chǎn)生需要的平穩(wěn)流量，流經(jīng)被檢流量計(jì)后回到油箱，流過(guò)被檢流量計(jì)的流體體積q_v用活塞橫截面積A乘以活塞移動(dòng)距離l，l用光柵來(lái)測(cè)量。被檢流量計(jì)的脈沖信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集。

    二、脈沖信號(hào)流量計(jì)儀表系數(shù)K的測(cè)定原理

    相同時(shí)間t內(nèi)，根據(jù)式（2）可得

       （3）

    式中：l———單位時(shí)間t內(nèi)，流體流過(guò)的距離；l₁——光柵每個(gè)輸出脈沖對(duì)應(yīng)的距離；A——流體截面積；N₂——光柵輸出脈沖數(shù)；N₁——流量計(jì)輸出脈沖數(shù)。

    因?yàn)閘₁、A是固定值，記，則

        （4）

    K系數(shù)的測(cè)定轉(zhuǎn)化為同一時(shí)間內(nèi)流量計(jì)脈沖數(shù)和光柵脈沖數(shù)的測(cè)定。

    另外，根據(jù)式（1）可得

       （5）

    式中：f₁——流量計(jì)的輸出頻率；f₂——光柵脈沖頻率。

    因此，K系數(shù)的測(cè)定又轉(zhuǎn)化為流量計(jì)輸出頻率f₁和光柵脈沖頻率f₂的測(cè)量。

    三、儀表系數(shù)K的兩種實(shí)現(xiàn)方法

    1.軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量

    根據(jù)式（4），如圖2所示，定時(shí)脈沖上升沿觸發(fā)流量計(jì)脈沖和光柵脈沖開始計(jì)數(shù)，下降沿觸發(fā)二者停止計(jì)數(shù)。該方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)環(huán)境為：帶ISA插槽工控機(jī)，Windows98系統(tǒng)，VisualC++編程語(yǔ)言，中科院數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)現(xiàn)K系數(shù)測(cè)量時(shí)，根據(jù)流量計(jì)準(zhǔn)確度給出預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)，工控機(jī)發(fā)出開始測(cè)量信號(hào)，同時(shí)讀取流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器和光柵脈沖計(jì)數(shù)器的讀數(shù)，并且定時(shí)器清零，然后實(shí)時(shí)查詢流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器讀數(shù)，待該計(jì)數(shù)器值大于或等于預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)時(shí)，停止計(jì)數(shù)，同時(shí)記錄光柵脈沖計(jì)數(shù)器值和定時(shí)器值。由實(shí)驗(yàn)得到，軟件查詢執(zhí)行引起的誤差可以忽略不計(jì)。由于這種方法是在同一時(shí)間內(nèi)，直接測(cè)量流量計(jì)和光柵脈沖數(shù)，每次測(cè)量有一個(gè)脈沖的誤差，所以，測(cè)量準(zhǔn)確度和所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)，如果計(jì)1000個(gè)脈沖，測(cè)量的相對(duì)誤差為0.1%，記的脈沖個(gè)數(shù)越多，測(cè)量的準(zhǔn)確度越高，相對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間就越長(zhǎng)。顯然，這種方法不能保證記錄t時(shí)間內(nèi)流量計(jì)脈沖和光柵脈沖的整數(shù)個(gè)脈沖。

圖2 軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理圖

    以0.2級(jí)脈沖流量計(jì)為例，測(cè)量結(jié)果如表1所示（預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)5000）。

表1 測(cè)量結(jié)果

    2.硬件實(shí)現(xiàn)雙頻計(jì)時(shí)

    根據(jù)式（5），流量計(jì)頻率和光柵頻率的測(cè)量不要求同步，即以犧牲同步獲得頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性。相對(duì)于流量計(jì)脈沖和光柵脈沖來(lái)說(shuō)，計(jì)時(shí)脈沖是一個(gè)10MHz高頻脈沖，保證測(cè)時(shí)準(zhǔn)確度，用來(lái)分別測(cè)時(shí)T₁和T₂，測(cè)量誤差為10^-7。計(jì)時(shí)脈沖1在啟/停脈沖上升沿后，流量計(jì)脈沖的個(gè)上升沿觸發(fā)，計(jì)時(shí)器脈沖2在啟/停脈沖上升沿后，光柵脈沖的個(gè)上升沿觸發(fā)，計(jì)時(shí)脈沖1在啟/停脈沖下降沿后，流量計(jì)的個(gè)上升沿停止計(jì)時(shí)T₁，計(jì)時(shí)脈沖2在啟/停脈沖下降沿后，光柵脈沖的個(gè)上升沿停止計(jì)時(shí)T₂。這樣保證分別在T₁、T₂時(shí)間內(nèi)，記錄的流量計(jì)脈沖和光柵脈沖是完整個(gè)數(shù)，如圖3所示。

圖3 雙頻計(jì)時(shí)原理圖1

    這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)流量計(jì)輸出頻率很小時(shí)，可以在大于流量計(jì)脈沖周期的時(shí)間內(nèi)，精確測(cè)量流量計(jì)脈沖頻率和光柵脈沖頻率。

    自動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙計(jì)時(shí)法時(shí)，操作者通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)置流量計(jì)脈沖數(shù)，通過(guò)流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器溢出信號(hào)來(lái)停止測(cè)量。

    原理如圖4所示。

圖4 雙頻計(jì)時(shí)原理圖2

    具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

    （1）設(shè)定預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)N，則N₁=N，流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器設(shè)置減計(jì)數(shù)，光柵脈沖計(jì)數(shù)器設(shè)置增計(jì)數(shù)，初始值為1。

    （2）計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)控制信號(hào)，高電平。

    （3）流量計(jì)脈沖、光柵脈沖的個(gè)上升沿，計(jì)時(shí)脈沖1、計(jì)時(shí)脈沖2分別開始計(jì)時(shí)。

    （4）當(dāng)N₁=0時(shí)，流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志輸出信號(hào)，測(cè)量停止，計(jì)時(shí)脈沖1停止測(cè)量。

    （5）光柵脈沖計(jì)數(shù)器在溢出標(biāo)志輸出之后的下一個(gè)上升沿停止計(jì)數(shù)測(cè)量，同時(shí)計(jì)時(shí)器2停止計(jì)時(shí)。

    由于多個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，雙頻計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)K系數(shù)測(cè)量時(shí)，預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)不少于3個(gè)。以0.2級(jí)脈沖流量計(jì)為例，測(cè)量結(jié)果如表2所示（預(yù)計(jì)流量計(jì)脈沖數(shù)50）。

表2 測(cè)量結(jié)果

    四、結(jié)論

    JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)》檢定規(guī)程中，檢定條件項(xiàng)規(guī)定：對(duì)于脈沖輸出的流量計(jì)，應(yīng)保證一次檢定中流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)的測(cè)量結(jié)果由分辨率帶來(lái)的相對(duì)不確定度不大于被檢流量計(jì)允許誤差值的1/10。軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)，對(duì)于低頻信號(hào)，要保證測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、工作效率低；硬件實(shí)現(xiàn)雙頻計(jì)時(shí)，由于是整脈沖計(jì)數(shù)，測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量脈沖數(shù)沒(méi)太大關(guān)系，測(cè)量準(zhǔn)確度高，優(yōu)于0.01%，每次測(cè)量時(shí)間短、工作效率高。