摘要：通過對(duì)分體式電磁流量計(jì)工作原理及使用中測(cè)量誤差產(chǎn)生原因的分析，提出一種便于操作的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。調(diào)整流量計(jì)閘門時(shí)間，使其與流量計(jì)儀表系數(shù)相匹配來修正測(cè)量誤差。同時(shí)校正流量計(jì)模擬輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)、流量計(jì)和計(jì)算機(jī)（或其他測(cè)量設(shè)備）的整體系統(tǒng)校準(zhǔn)。**后通過試驗(yàn)驗(yàn)證該校準(zhǔn)方法的可行性及流量計(jì)系統(tǒng)校準(zhǔn)的必要性。

 

分體式電磁流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱電磁流量計(jì)）是德國(guó)威仕公司（VSE）生產(chǎn)的一種脈沖輸入型流量流量計(jì)表，與該公司VS型流量傳感器（以下簡(jiǎn)稱流量計(jì)）配套使用，作為流量測(cè)試系統(tǒng)的主體。一般在實(shí)際工作中，流量計(jì)和流量計(jì)是分開單獨(dú)校準(zhǔn)，使用時(shí)按量程匹配的原則直接連接進(jìn)行測(cè)量。由于沒考慮到流量計(jì)性能變化的影響，這樣的測(cè)量結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的，存在測(cè)量誤差。配套使用的流量測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行配套校準(zhǔn)才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。但是，配套校準(zhǔn)的方法受條件限制，不易實(shí)現(xiàn)。那么怎樣才能解決由于流量計(jì)和流量計(jì)分開校準(zhǔn)而在實(shí)際應(yīng)用中造成的測(cè)量誤差問題，達(dá)到配套校準(zhǔn)的效果。該文提出一種便于操作、效率高，在實(shí)驗(yàn)室即可完成的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。

 

1、流量計(jì)的工作原理

分體式電磁流量計(jì)原理框圖如圖1所示。流量計(jì)采集與之配套流量計(jì)輸出的兩路相位差90°脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為4倍脈沖頻率。在閘門信號(hào)的取樣時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，將取樣時(shí)間內(nèi)計(jì)入的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量并顯示。流量計(jì)同時(shí)輸出與流量對(duì)應(yīng)的模擬電壓或電流信號(hào)和流量方向識(shí)別信號(hào)。

 

2、測(cè)量誤差產(chǎn)生原因分析

由流量計(jì)工作原理知，閘門時(shí)間決定流量示值。流量計(jì)閘門時(shí)間根據(jù)流量量程及小數(shù)位數(shù)已在出廠時(shí)設(shè)置好，并顯示于儀表側(cè)面。以40L量程的流量計(jì)為例，儀表參數(shù)見圖2。

圖2除標(biāo)明閘門時(shí)間還包括流量計(jì)量程、配套流量計(jì)量程、流量計(jì)輸出頻率范圍，以及模擬輸出信號(hào)類型和范圍，這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)、對(duì)應(yīng)的。將圖2參數(shù)應(yīng)用到流量測(cè)試系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸與參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。

以圖3數(shù)據(jù)為例，正常情況下，流量測(cè)試系統(tǒng)中各參數(shù)間滿足圖3的要求。那么流量計(jì)、流量計(jì)、計(jì)算機(jī)三者之間的流量示值一致。但在實(shí)際應(yīng)用中，流量計(jì)因長(zhǎng)期使用出現(xiàn)磨損、腐蝕、老化等原因，造成流量計(jì)性能變化，儀表系數(shù)K（通過流量計(jì)的單位體積流量所對(duì)應(yīng)的信號(hào)脈沖數(shù)，單位：1/L）發(fā)生改變。根據(jù)流量方程：Q =f /K，流量Q不變，系數(shù)K改變，頻率f 也必然改變。但是流量計(jì)是出廠時(shí)設(shè)置的閘門時(shí)間T(0.6s)、流量Q（40L）和頻率f(1666.7Hz)的這種確定對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以，性能改變后的流量計(jì)儀表系數(shù)K與流量計(jì)閘門時(shí)間系數(shù)T不匹配，出現(xiàn)流量顯示誤差。同時(shí)模擬輸出信號(hào)偏離標(biāo)稱值，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)采集的信號(hào)產(chǎn)生誤差。

 

3、系統(tǒng)校準(zhǔn)修正測(cè)量誤差

3.1 校準(zhǔn)方法

由以上分析可知，流量計(jì)與流量計(jì)示值不一致的原因是流量計(jì)閘門時(shí)間系數(shù)和流量計(jì)儀表系數(shù)不匹配所致。那么將兩者調(diào)成匹配，就可解決測(cè)量誤差問題。流量計(jì)的儀表系數(shù)K是根據(jù)測(cè)得的頻率與對(duì)應(yīng)流量值計(jì)算的數(shù)據(jù)，VS系列流量計(jì)無調(diào)節(jié)功能，只能調(diào)節(jié)流量計(jì)閘門時(shí)間系數(shù)，使兩者系數(shù)匹配。根據(jù)流量計(jì)**近一次校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定流量計(jì)閘門時(shí)間系數(shù)并調(diào)整。閘門時(shí)間系數(shù)出廠時(shí)已根據(jù)流量量程及小數(shù)顯示位數(shù)設(shè)置好，系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)只需根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。然后用標(biāo)準(zhǔn)源模擬流量計(jì)輸出信號(hào)，校正流量計(jì)模擬輸出電壓或電流信號(hào)，即可修正測(cè)量誤差，確保流量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此方法既實(shí)現(xiàn)了配套系統(tǒng)校準(zhǔn)，又簡(jiǎn)單、便于操作。

 

3.2 閘門時(shí)間的計(jì)算方法與調(diào)整

由圖1的原理圖可知，流量計(jì)采集4倍流量計(jì)頻率信號(hào)，在設(shè)定的閘門時(shí)間內(nèi)將計(jì)得的脈沖數(shù)作為流量顯示。因此流量、頻率和閘門時(shí)間之間的關(guān)系可用公式（1）表示。

公式（1）是根據(jù)流量計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)中某個(gè)測(cè)量點(diǎn)的流量和頻率值計(jì)算的閘門時(shí)間。由于流量計(jì)存在非線性，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的儀表系數(shù)是不同的，流量計(jì)無法對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行誤差修正。為了兼顧量程內(nèi)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，選擇用流量計(jì)平均儀表系數(shù)作為計(jì)算閘門時(shí)間的**佳方法。但是平均儀表系數(shù)值沒有對(duì)應(yīng)的流量和頻率數(shù)據(jù)，無法用公式（1）計(jì)算閘門時(shí)間。

閘門時(shí)間的計(jì)算結(jié)果為a×10-n，因?yàn)榱髁苛砍毯惋@示位數(shù)的關(guān)系，閘門時(shí)間計(jì)算結(jié)果需乘以10n-1才是實(shí)際所需的閘門時(shí)間系數(shù)。但是用VS0,01、VS0,1、VS1、VS10型號(hào)的流量計(jì)儀表系數(shù)計(jì)算的閘門時(shí)間需乘以10n。使用時(shí)有個(gè)快速判斷閘門時(shí)間的方法，流量計(jì)銘*上標(biāo)有閘門時(shí)間的標(biāo)稱值，使小數(shù)點(diǎn)移動(dòng)后的數(shù)值接近閘門時(shí)間標(biāo)稱值即可。

閘門時(shí)間由6位撥碼開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)表示的小數(shù)位見圖4。閘門時(shí)間可以調(diào)整的范圍是0.00001～9.99999s。將計(jì)算的閘門時(shí)間按圖4小數(shù)位對(duì)齊依次撥碼置數(shù)。

 

3.3 模擬輸出信號(hào)校準(zhǔn)方法

流量計(jì)的模擬輸出信號(hào)連接計(jì)算機(jī)或其他測(cè)量設(shè)備，對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采集、進(jìn)一步處理或控制。計(jì)算機(jī)是根據(jù)模擬輸出信號(hào)的標(biāo)稱值與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定的，所以模擬輸出電壓或電流值必須準(zhǔn)確。流量計(jì)閘門時(shí)間調(diào)整后，流量與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系改變，模擬輸出電壓或電流也隨之改變，需要重新將其校準(zhǔn)為標(biāo)稱值，否則計(jì)算機(jī)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。

流量計(jì)的輸出信號(hào)為兩路相位差90°的脈沖信號(hào)。選擇符合要求的標(biāo)準(zhǔn)源模擬流量計(jì)輸出信號(hào)。要求脈沖幅值5V左右，頻率范圍：0～2000Hz，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-5。以信號(hào)發(fā)生器模擬流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)，接線方法見圖5。信號(hào)發(fā)生器的兩路輸出信號(hào)分別連接流量計(jì)的K1和K2輸入端，流量計(jì)模擬輸出端連接數(shù)字多用表進(jìn)行電壓或電流測(cè)量。在流量計(jì)無信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)整圖4中“offset”電位器，使數(shù)字多用表測(cè)量值為零。然后輸入頻率使流量計(jì)顯示滿量程流量值，調(diào)整圖4中“amplification”電位器，使數(shù)字多用表測(cè)量值為滿量程流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓或電流值。

 

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在流量計(jì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)中任意選擇一些測(cè)量點(diǎn)，用公式（1）或公式（2）計(jì)算配套流量計(jì)閘門時(shí)間系數(shù)并調(diào)整。輸入測(cè)量點(diǎn)頻率，流量計(jì)顯示流量值與測(cè)量點(diǎn)流量標(biāo)準(zhǔn)值完全吻合。由此可以判定閘門時(shí)間的計(jì)算方法是合理、正確的，這種便于操作的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是可行的，滿足系統(tǒng)校準(zhǔn)的要求。

以某40L流量測(cè)量系統(tǒng)為例，流量計(jì)單獨(dú)校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)后在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量結(jié)果見表1。

表1數(shù)據(jù)表明，流量計(jì)經(jīng)過系統(tǒng)校準(zhǔn)后，流量示值與流量實(shí)際值基本接近，主要是顯示分辨力帶來的誤差。模擬輸出信號(hào)經(jīng)校正后基本接近標(biāo)稱值10V。經(jīng)過單獨(dú)校準(zhǔn)的流量計(jì)其流量示值與流量實(shí)際值偏差較大，達(dá)到2%左右的測(cè)量誤差。模擬輸出信號(hào)同樣偏離標(biāo)稱值約2%。由此可見，流量計(jì)系統(tǒng)校準(zhǔn)是非常必要的。

 

5、結(jié)語

流量測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度主要取決于流量計(jì)的誤差和線性。通過調(diào)整流量計(jì)閘門時(shí)間，可以對(duì)流量計(jì)性能變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行修正，從而提高測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。此系統(tǒng)校準(zhǔn)方法是根據(jù)分體式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和配套流量計(jì)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的。因流量流量計(jì)種類很多，其他類型流量計(jì)具體結(jié)構(gòu)原理、連接線路和功能都有許多不同之處，校準(zhǔn)方法也不同。雖不能直接應(yīng)用此校準(zhǔn)方法，但是可參照此方法進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。需要注意的是，按照流量計(jì)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后的流量計(jì)，必須和該流量計(jì)配套使用，不可隨意更換流量計(jì)或流量計(jì)。如果更換流量計(jì)或流量計(jì)，則應(yīng)該按照該校準(zhǔn)方法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后才可使用，否則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。