液体流量计系统检测精度的影响因素分析

  在液体流量计检测过程中,检测精度至关重要,而流量装置相对较为复杂,存在较多的影响精度的因素—诸如检测人员、设备、环境条件和检测方法等会影响流量计检测结果的准确性和有效性,把握不好会得出不同的流量计系数以至得到误判,使得溯源精度差、检测结果不可靠[22][23][24]。本系统检测方法原理为静态质量法和标准表法的检测流程由几个环节组成,每个环节总存在着影响检测精度的因素:如流量计检测过程中实时采集和分析试验流体通过标准流量计、被测流量计和称重容器的温度变化范围和压力变化范围是否在检定规程规定范围内,否则无效并舍弃重新检测[28][29];流量调节阀造成的试验流体的不稳定,由此尽量选用稳定度高的球形阀[30];
  再者检测系统还必须实时检测环境空气温度,计算空气密度,对电子秤的称量值进行,浮力修正,得到称重容器内准确的液体质量;还有选用气动开关阀,以满足静态质量法检测过程迅速停止和运行、排水阀快速开闭等等。任何测量过程,造成流量计检测结果误差的因素都是客观存在、不可避免的,对于检测系统的试验装置,根据其装置结构和工作原理,可以发现影响检测精度的因素主要有以下几种:换向器换向时累积流量误差、累积脉冲的计数误差和试验流体稳定性等等。为了后续系统设计的精准可靠,首先通过本章对这几个主要因素进行分析并提出对策。 

1、换向时累积流量误差:
  换向器主要由喷嘴、驱动机构、光电开关、分流器等部件组成,如图 3-1 所示。在检测试验开始前,换向器喷嘴是定位在旁通管处,液流是流入水池中,当管路中达到目标流量并稳定一段时间后,控制台发出换向器切换指令,驱动机构驱动可动部件快速将液流移至称重容器的位置,此时液体流入称重容器,在切入过程中,换向挡板通过某一个固定位置(设为 B)时,光电开关受触发发出信号传给控制台,发出计时/计数命令,高速计数器开始对被检流量计的脉冲输出信号进行计数和计时。待到计时/计数达到所规定的要求后,再作返回移动。 

图 3-1 换向器结构示意图

图 3-1 换向器结构示意图 
  静态质量法检测过程中,换向过程标准器中流量时间图如图 3-2 所示。在   →   和   →   时间段上,单位时间内流入称重容器中的液体量的过程是非线性的,开始时从0 逐渐上升至流量  ,结束时又从  逐渐降至 0,即切入和切出动作分别都有一个过渡过程,分别持续时间为  和  。从图 3-2 可以看出,在检测时间 t 内,液体流过被检流量计的的实际累积流量值为: 
  2 3 4 5 6M =F +F +F +F +F  而在检测过程中流入标准器称重容器中的累积流量值为:  
  (3-2)s1 3 4 6 7M =F +F +F +F +F
图 3-2 换向过程标准器中流量时间图
图 3-2 换向过程标准器中流量时间图 

  在理想的情况下,一次完整的流量计检测过程中流入标准称重容器的累积流量  应该等于流过被检流量计的累积流量 ,即  =  ,但是因为换向器光电开关的被触发时刻(为 B 点)的影响使得检测结果为:  ≠  ,即出现了偏差。实际上,  +  之和是检测时间间隔以外流入称重容器而被“计算”的液体量,  +  之和是由于只有部分液体流入称重容器而造成的“亏缺”。一般情况下,切入和切出两个过渡过程中流量时间的规律是不相同的,因此,一个可以使得  =  (即1 7 3 4F +F =F +F 的光电开关被触发的时间点是一定存在的。但是这个 B 点是很难通过采取某种方法被确定。 

  解决办法:换向器的换向误差是换向器切入和切出两个换向过渡时间段流量特性的不对称和标准器注入液体时和被检流量计输出脉冲开始计数的不同造成的累积流量不一致误差。因此为了减小上述误差,应选择或设计切入和切出两个过渡过程的时间段尽可能的短(如小于 0.15s),同时切入切出行程时间差也尽量短(如小于 0.02s)的换向器,例如可以选择驱动力较大的气动换向器,德国的 PTB 实验室在 2010 年建造的动/静态流量标准装置等采用此类换向器并进行了相关仿真[25]。
  还有使得光电开关信号被触发的时间点在切入(或切出)过渡过程的中心位置。这样,便可以极大程度地消除换向器造成的误差。根据换向器结构示意图所示,换向器处于完全切出状态,通过将光电开关放置在换向行程中心位置,和挡板放在切入侧(也就是切入称量容器过程中的起始位置),可以有效减小换向导致的误差。 

2、累积脉冲的计数误差 :
  流量计的输出信号可以分为脉冲频率信号和模拟电流信号输出两类。在静态质量法的检测过程中,为了得到被检流量计在一段时间内的累积流量值,一般选择该流量计的脉冲输出,而对于矩形波的一个脉冲定义为从 0(设为低电平)到 1(设为高电平)再到0 的变化过程。计数器计数从接收到换向器换向后发出的光电信号后开始计时计数,计数器在遇到脉冲信号的上升沿/下降沿才被触发,而光电开关信号的发出几乎不可能与脉冲信号的上升沿来到具有一致性,随机性比较大,开始计时计数的时刻可能会出现在一个脉冲的任意位置,同理,结束计时计数的时刻也会出现在一个脉冲的任意位置,导致误差产生,如图 3-3 所示。 
图 3-3 计数误差(±1 个)图

图 3-3 计数误差(±1 个)图 

下面来进行误差的理论分析,如图 3-4 所示。 设  和  分别是脉冲计数过程中的误差部分,即  为少算入的部分,为多算入的部分,设被检流量计的脉冲周期为 T,在光电开关启停时间间隔内,
PLC 的高频计数器计脉冲数为整数 N(传统的脉冲计数方法只能计量整数个),如图 3-1 所示,而在开关启停时间间隔内,实际的脉冲数应为: 

计算公式
  也就是说,在极限状态下脉冲计数的误差大小为∆= ±1。 
图 3-4 计数误差图
图 3-4 计数误差图 
  脉冲计数引入的±1 个误差对流量的度有很大影响。例如:对于 0.1 级的质量流量计,在检测过程中累计 2000 个脉冲,这样,仅仅一个脉冲计数的误差就造成了质量流量计作为标准表使用时的不确定度为 0.05%,这是千万要杜绝的。

  选择合适的方法减小计数误差:不管是标准表法还是静态质量法,都存在因为需要累积脉冲数的测量而出现的±1 个脉冲的误差,而减小脉冲计数引入的相对误差影响的方法之一就是尽可能采集足够多的脉冲数,但这必然要通过增加检定时间来保证。目前,流量计的测量精度普遍提高,如电磁流量计和涡轮流量计等,一般是 0.5 级和 0.2 级,检定规程规定计数器准确度应为装置所要求的精度等级的 1/10。一般规定流量标准装置的准确度为 0.1 级,那么计数器的应该达到±0.01%。因为计数器的一般误差为±1 个,由此,计数器必须采集至少 10000 个以上的脉冲数。这样,对于仪表系数很小的流量仪表,仪表检定工作不仅花费很长的时间,还必须准备较大的称量容器,如仪表系数若为 1.8(L )  ,那么需约 5~6  的容器。由于各种原因的限制,脉冲计数是达不到 10000 个的。而另一个方法是通过采取某种方法使得采集被检流量计的脉冲信号的上升沿与开关信号具有一致性。 

  静态质量法设计思路:光电开关信号触发是在换向器切入/切出的行程中心处,即换向器换向后有一段延时才触发光电开关信号,进而触发计时/计数器开始对被测表进行计数,因此静态质量法中被检流量计的输出脉冲信号的累计脉冲数可以通过的方法原理如图 3-5 所示。 
图 3-5 脉冲计数法原理图
图 3-5 脉冲计数法原理图 
  该方法原理的使用流程是:当控制台接收到光电触发开始信号并发出计时/计数命令后,当检测到某个流量仪表(假设先检测到标准表)输出信号的个高电平来临,计数器分别开始对标准表、被检表进行脉冲计数;当控制台接收到光电触发停止信号并发出计时/计数停止命令后,检测到标准表输出信号的个高电平来临时,停止计时/计数,记录标准表脉冲计数和检测时间分别为  和  ,被检表脉冲计数和检测时间分别为N  和  ;当标准表开始计时后,被检表输出信号的高电平来临,计数器分别开始对标准表、被检表进行脉冲计数,当计时/计数停止命令发出后,检测到被检表输出信号的个高电平来临时,停止计时/计数,记录被检表脉冲计数和检测时间分别为  和  。在数据处理时,利用流量仪表在一个稳定的流量点下发出的频率 f 是固定的,可以得到: 
被检表的脉冲数: N  =  ×计算公式
  标准表法检测流量计时,则利用控制台发出计数/计时命令后,以下过程同上。 从上面几个式子可以看出,采用这种方法后,计数误差便只取决于计时器的计时准确度。 

3、试验流体的稳定度:
  水流量波动的大小,也就是试验介质的稳定度对检测系统装置的扩展不确定度是个很重要的指标。依照检定规程,被检仪表的每一个流量点下都需要多次检定,每个工作流量点每次检测时,水泵电机转速引起的水流波动经过变频和稳压容器的消气稳流得到缓冲消除,此处可忽略。 
  2014 年,天津大学的陈卓[27]通过更换不同的水流管路径进行试验研究,结果证明管路结构中管路直径大小的不同对流量计检测中试验介质水流的稳定性有较大影响,因此应尽量选择合适的管径。山东大学的郭兰兰[22]通过弯管内加装导流片进行数值模拟可知该方法可以有效减少弯管带来的水流波动的影响。因此在管路设计中尽可能的减少试验管路弯头以及在弯管内加装导流片来解决。 

4、本章小结:
  由于影响流量计检测系统中水流量标准装置的计量准确度的因素繁多且复杂,仅仅根据标准化规程采取措施来控制每一影响因素是不够的,在实际应用中很难达到,所以为了尽可能减小决定标准装置准确度的系统误差,通过本章对系统检测计量的主要误差影响因素进行了深入分析研究并给出了相应的解决办法,可以***大限度的提高系统检测精度。

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