劉藝專

摘要：文中基于臨界流噴嘴原理，研制了一款誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置，該裝置滿足氣體流量計的量值誤差和密封性能指標的檢測，實現(xiàn)了交易結算、工業(yè)計量、過程控制、安全生產等領域的流量測量儀表檢定的準確高效。

關鍵詞：誤差檢測；密封性試驗；一體；音速噴嘴

The Design of the Sonic Nozzle Gas Flow Standard Device of the Negative Pressure Method with the Integration of Error Detection and Sealing Test

LIU Yizhuan

（ Zhangzhou Metrology Institute， Zhangzhou 363000， Fujian， China ）

Abstract：? Based on the principle of critical flow nozzle， a gas flow standard device with negative pressure method is developed， which can be used for error detection and sealing test. The device can meet the measurement error and seal performance of gas flowmeter， and realize the accurate and efficient verification of flow measurement instrument in the fields of trade settlement， industrial metering， process control， safety production and so on.

Key Words： Error detection;Sealing test; Integration; Sonic nozzle

0概述

氣體流量計用于測量氣體流量，廣泛應用于生產、科研領域，是一種重要的氣體流量計量器具。目前，氣體流量計的誤差檢測一般采用負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置，氣體流量計的密封性實驗需要采用另外一套專用的打壓實驗裝置進行，這種方式檢定、校準氣體流量計費時費力，檢定效率不高。

文中所述《誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置》是漳州市計量所立項的福建省市場監(jiān)督管理局科技項目（編號FJQI2018054）和漳州市自然科學基金項目（編號ZZ2019J46），已通過驗收。文中旨在研制一套誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置，可通過一次裝夾實現(xiàn)氣體流量計的量值誤差和密封性能指標的檢測，滿足交易結算、工業(yè)計量、過程控制、安全生產等領域的流量測量儀表檢定的準確高效。

1裝置總體設計

項目研制的誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置由裝置主機、控制系統(tǒng)（包括下位機和上位機等）、上位機軟件組成，如圖1所示。

該裝置具備以下特點：

1）該項目研制的誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置具有高準確度、檢定高效、自動化程度高等特點，可以檢定0.5～500 m3/h范圍內的流量點，主要計量器具音速噴嘴0.2級，壓力變送器0.1級。整機相對擴展不確定度0.5%。

2）裝置可以實現(xiàn)以下功能：

（1）可實現(xiàn)氣體流量儀表的誤差檢測及密封性試驗兩種功能；

（2）被檢氣體流量計在一次裝夾的情況下，通過切換控制開關，切換至誤差測試或密封性試驗功能。

3）可以通過上位機軟件進行檢測數(shù)據(jù)處理、過程控制。

2 裝置主機設計

誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置的主機從功能上可分為誤差檢測和密封性試驗兩部分。

2.1誤差檢測功能硬件設計

誤差檢測功能硬件設計圖如圖2所示，根據(jù)當前檢定流量的需要，軟件自動通過算法得出噴嘴閥門最佳組合，并打開不同的噴嘴閥門，得到所需的檢定流量。利用滯止容器對負壓的穩(wěn)定作用，使噴嘴的背壓比（出入口壓力）趨于穩(wěn)定，進而使噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)。流經(jīng)噴嘴的氣體流量標準值為：

式中：

——流經(jīng)噴嘴的氣體質量流量標準值；

——通過第i個臨界流噴嘴的氣體質量流量；

——所選擇噴嘴的個數(shù)。

流經(jīng)標準設備（臨界流噴嘴）和被檢設備（被檢流量計）的氣體質量流量是相同的。在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)采集噴嘴前的滯止容器的壓力和溫度以及濕度，計算出標準的氣體質量流量和累積流量，并通過計算，將它與同時被檢流量計采集到的輸出量示值進行比較，從而得到不同流量點下被檢流量計的重復性誤差和示值誤差，完成誤差檢測環(huán)節(jié)。

2.2密封性試驗功能硬件設計

密封性試驗功能硬件如圖3所示，誤差檢測完畢后，打開儲氣罐進口和出口的兩個閥門。系統(tǒng)默認關閉檢測管路兩端的氣動開關閥，在上位機軟件上選擇好檢測的口徑后選擇密封性測試功能，這時計算機會自動通過控制電動三通閥將壓力測量的取壓變送器切換到高壓壓力變送器上，然后點擊軟件上的“開始”按鈕，就打開了進氣電動閥，高壓氣體就經(jīng)過電磁閥進入到檢測管路中。當管路中氣體壓力達到了設定的目標壓力，系統(tǒng)會自動關閉進氣電動閥，不再使氣體繼續(xù)進入檢測管路中。等待氣體穩(wěn)定就可以進行密封性測試了。測試完成以后，點擊“泄壓”按鈕，管路中的氣體可以通過調節(jié)閥排放到大氣中，整個密封測試結束。

3 控制系統(tǒng)及軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)設計

檢定裝置以工業(yè)控制計算機（以下簡稱“工控機”）為調度中心，對各個子控制系統(tǒng)進行協(xié)調。兼顧模塊化結構和實時性特點，其主要功能是完成檢定過程中設備的開關啟停，標準設備和被檢設備的信號采集、檢定數(shù)據(jù)處理、記錄打印、檢定報告及檢定證書等?？刂葡到y(tǒng)工作原理如圖4所示。

控制系統(tǒng)所控制的設備對象包括檢定中使用的動力氣源、檢定介質氣源發(fā)生系統(tǒng)、噴嘴閥門組、攝像拍照系統(tǒng)及其它設備。整個控制系統(tǒng)以工控機為核心，實時、可靠、高效地協(xié)調各子系統(tǒng)工作，很好地實現(xiàn)流量計音速噴嘴法的流量檢定功能。

1）控制功能

系統(tǒng)設備中離散控制的開關設備：管路閥門、泵出口閥門、泄壓閥門；

系統(tǒng)設備中的連續(xù)調節(jié)設備：變頻器。

2）數(shù)據(jù)采集功能

標準設備信號采集：溫度變送器、壓力變送器、濕度變送器；

被檢設備信號采集：包括4～20 mA、高低頻脈沖信號。

3.2 上位機軟件設計

上位機（計算機）軟件依托WINDOWS 7操作系統(tǒng)，以國產組態(tài)軟件中的組態(tài)王為平臺進行編寫，由于組態(tài)王軟件在國內應用十分廣泛，具備多廠家的驅動接口，編程的通用性強，維護方便，適合檢定軟件的編寫。本系統(tǒng)硬件設備使用的西門子PLC，可以直接利用組態(tài)王提供的驅動程序與之進行通訊，省去了開發(fā)驅動的環(huán)節(jié)?？梢约芯M行算法的編寫，同時組態(tài)王圖形界面的流程自動化和報表格式多樣性也為產品的開發(fā)提供了便利。包括實現(xiàn)根據(jù)流量點自動選擇開啟不同的噴嘴組合的功能也十分突出。計算機操作界面如圖5所示。

系統(tǒng)軟件使用西門子專用數(shù)據(jù)通訊協(xié)議PPI與PLC進行交互通訊，PPI協(xié)議是建立在RS485的基礎上。因此有很強的抗干擾能力，同時該協(xié)議也具有完善的校驗功能，可以對收發(fā)的數(shù)據(jù)進行校驗，使數(shù)據(jù)準確可靠。保證上位機（計算機）與下位機（PLC）交換數(shù)據(jù)的實時準確，完美地實現(xiàn)對檢定裝置的控制。系統(tǒng)軟件開始運行以后，自動把現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集顯示到主界面上，操作人員可以很直觀地了解整個裝置系統(tǒng)的運行情況。經(jīng)過操作人員的信息錄用后，軟件開始對被檢設備操作，實時同步采集控制被檢設備（流量計）和標準設備（噴嘴）的數(shù)據(jù)。并在設定的時間內進行累積并運算，按照相應的國家檢定規(guī)程[1]進行數(shù)據(jù)處理。最終的檢定數(shù)據(jù)結果，以原始數(shù)據(jù)的方式存入Access數(shù)據(jù)庫中，并可以通過EXCEL方式導出。報表格式如圖6所示。

4結語

文中基于臨界流噴嘴原理，研制了一款誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置。具有以下創(chuàng)新點：

1）該項目研制的誤差檢測、密封性試驗為一體的負壓法音速噴嘴式氣體流量標準裝置具有高準確度、檢定高效、自動化程度高等特點，可以檢定0.5～500 m3/h范圍內的流量點，主要計量器具音速噴嘴0.2級，壓力變送器0.1級。整機相對擴展不確定度0.5%。

2）裝置可以實現(xiàn)以下功能：

（1）可實現(xiàn)氣體流量儀表的誤差檢測及密封性試驗兩種功能；

（2）被檢氣體流量計在一次裝夾的情況下，通過切換控制開關，切換至誤差測試或密封性試驗功能。

（3）可以通過上位機軟件進行檢測數(shù)據(jù)處理、過程控制。

參考文獻

[1]全國流量容量計量技術委員會.氣體容積式流量計：JJG 633-2005[S].北京：中國計量出版社，2005：11.