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液體流量計系統檢測精度的影響因素分析

  在液體流量計檢測過程中,檢測精度至關重要,而流量裝置相對較為復雜,存在較多的影響精度的因素—諸如檢測人員、設備、環境條件和檢測方法等會影響流量計檢測結果的準確性和有效性,把握不好會得出不同的流量計系數以至得到誤判,使得溯源精度差、檢測結果不可靠[22][23][24]。本系統檢測方法原理為靜態質量法和標準表法的檢測流程由幾個環節組成,每個環節總存在著影響檢測精度的因素:如流量計檢測過程中實時采集和分析試驗流體通過標準流量計、被測流量計和稱重容器的溫度變化范圍和壓力變化范圍是否在檢定規程規定范圍內,否則無效并舍棄重新檢測[28][29];流量調節閥造成的試驗流體的不穩定,由此盡量選用穩定度高的球形閥[30];
  再者檢測系統還必須實時檢測環境空氣溫度,計算空氣密度,對電子秤的稱量值進行,浮力修正,得到稱重容器內準確的液體質量;還有選用氣動開關閥,以滿足靜態質量法檢測過程迅速停止和運行、排水閥快速開閉等等。任何測量過程,造成流量計檢測結果誤差的因素都是客觀存在、不可避免的,對于檢測系統的試驗裝置,根據其裝置結構和工作原理,可以發現影響檢測精度的因素主要有以下幾種:換向器換向時累積流量誤差、累積脈沖的計數誤差和試驗流體穩定性等等。為了后續系統設計的精準可靠,首先通過本章對這幾個主要因素進行分析并提出對策。 

1、換向時累積流量誤差:
  換向器主要由噴嘴、驅動機構、光電開關、分流器等部件組成,如圖 3-1 所示。在檢測試驗開始前,換向器噴嘴是定位在旁通管處,液流是流入水池中,當管路中達到目標流量并穩定一段時間后,控制臺發出換向器切換指令,驅動機構驅動可動部件快速將液流移至稱重容器的位置,此時液體流入稱重容器,在切入過程中,換向擋板通過某一個固定位置(設為 B)時,光電開關受觸發發出信號傳給控制臺,發出計時/計數命令,高速計數器開始對被檢流量計的脈沖輸出信號進行計數和計時。待到計時/計數達到所規定的要求后,再作返回移動。 

圖 3-1 換向器結構示意圖

圖 3-1 換向器結構示意圖 
  靜態質量法檢測過程中,換向過程標準器中流量時間圖如圖 3-2 所示。在   →   和   →   時間段上,單位時間內流入稱重容器中的液體量的過程是非線性的,開始時從0 逐漸上升至流量  ,結束時又從  逐漸降至 0,即切入和切出動作分別都有一個過渡過程,分別持續時間為  和  。從圖 3-2 可以看出,在檢測時間 t 內,液體流過被檢流量計的的實際累積流量值為: 
  2 3 4 5 6M =F +F +F +F +F  而在檢測過程中流入標準器稱重容器中的累積流量值為:  
  (3-2)s1 3 4 6 7M =F +F +F +F +F
圖 3-2 換向過程標準器中流量時間圖
圖 3-2 換向過程標準器中流量時間圖 

  在理想的情況下,一次完整的流量計檢測過程中流入標準稱重容器的累積流量  應該等于流過被檢流量計的累積流量 ,即  =  ,但是因為換向器光電開關的被觸發時刻(為 B 點)的影響使得檢測結果為:  ≠  ,即出現了偏差。實際上,  +  之和是檢測時間間隔以外流入稱重容器而被“計算”的液體量,  +  之和是由于只有部分液體流入稱重容器而造成的“虧缺”。一般情況下,切入和切出兩個過渡過程中流量時間的規律是不相同的,因此,一個可以使得  =  (即1 7 3 4F +F =F +F 的光電開關被觸發的時間點是一定存在的。但是這個 B 點是很難通過采取某種方法被確定。 

  解決辦法:換向器的換向誤差是換向器切入和切出兩個換向過渡時間段流量特性的不對稱和標準器注入液體時和被檢流量計輸出脈沖開始計數的不同造成的累積流量不一致誤差。因此為了減小上述誤差,應選擇或設計切入和切出兩個過渡過程的時間段盡可能的短(如小于 0.15s),同時切入切出行程時間差也盡量短(如小于 0.02s)的換向器,例如可以選擇驅動力較大的氣動換向器,德國的 PTB 實驗室在 2010 年建造的動/靜態流量標準裝置等采用此類換向器并進行了相關仿真[25]。
  還有使得光電開關信號被觸發的時間點在切入(或切出)過渡過程的中心位置。這樣,便可以極大程度地消除換向器造成的誤差。根據換向器結構示意圖所示,換向器處于完全切出狀態,通過將光電開關放置在換向行程中心位置,和擋板放在切入側(也就是切入稱量容器過程中的起始位置),可以有效減小換向導致的誤差。 

2、累積脈沖的計數誤差 :
  流量計的輸出信號可以分為脈沖頻率信號和模擬電流信號輸出兩類。在靜態質量法的檢測過程中,為了得到被檢流量計在一段時間內的累積流量值,一般選擇該流量計的脈沖輸出,而對于矩形波的一個脈沖定義為從 0(設為低電平)到 1(設為高電平)再到0 的變化過程。計數器計數從接收到換向器換向后發出的光電信號后開始計時計數,計數器在遇到脈沖信號的上升沿/下降沿才被觸發,而光電開關信號的發出幾乎不可能與脈沖信號的上升沿來到具有一致性,隨機性比較大,開始計時計數的時刻可能會出現在一個脈沖的任意位置,同理,結束計時計數的時刻也會出現在一個脈沖的任意位置,導致誤差產生,如圖 3-3 所示。 
圖 3-3 計數誤差(±1 個)圖

圖 3-3 計數誤差(±1 個)圖 

下面來進行誤差的理論分析,如圖 3-4 所示。 設  和  分別是脈沖計數過程中的誤差部分,即  為少算入的部分,為多算入的部分,設被檢流量計的脈沖周期為 T,在光電開關啟停時間間隔內,
PLC 的高頻計數器計脈沖數為整數 N(傳統的脈沖計數方法只能計量整數個),如圖 3-1 所示,而在開關啟停時間間隔內,實際的脈沖數應為: 

計算公式
  也就是說,在極限狀態下脈沖計數的誤差大小為?= ±1。 
圖 3-4 計數誤差圖
圖 3-4 計數誤差圖 
  脈沖計數引入的±1 個誤差對流量的度有很大影響。例如:對于 0.1 級的質量流量計,在檢測過程中累計 2000 個脈沖,這樣,僅僅一個脈沖計數的誤差就造成了質量流量計作為標準表使用時的不確定度為 0.05%,這是千萬要杜絕的。

  選擇合適的方法減小計數誤差:不管是標準表法還是靜態質量法,都存在因為需要累積脈沖數的測量而出現的±1 個脈沖的誤差,而減小脈沖計數引入的相對誤差影響的方法之一就是盡可能采集足夠多的脈沖數,但這必然要通過增加檢定時間來保證。目前,流量計的測量精度普遍提高,如電磁流量計和渦輪流量計等,一般是 0.5 級和 0.2 級,檢定規程規定計數器準確度應為裝置所要求的精度等級的 1/10。一般規定流量標準裝置的準確度為 0.1 級,那么計數器的應該達到±0.01%。因為計數器的一般誤差為±1 個,由此,計數器必須采集至少 10000 個以上的脈沖數。這樣,對于儀表系數很小的流量儀表,儀表檢定工作不僅花費很長的時間,還必須準備較大的稱量容器,如儀表系數若為 1.8(L )  ,那么需約 5~6  的容器。由于各種原因的限制,脈沖計數是達不到 10000 個的。而另一個方法是通過采取某種方法使得采集被檢流量計的脈沖信號的上升沿與開關信號具有一致性。 

  靜態質量法設計思路:光電開關信號觸發是在換向器切入/切出的行程中心處,即換向器換向后有一段延時才觸發光電開關信號,進而觸發計時/計數器開始對被測表進行計數,因此靜態質量法中被檢流量計的輸出脈沖信號的累計脈沖數可以通過的方法原理如圖 3-5 所示。 
圖 3-5 脈沖計數法原理圖
圖 3-5 脈沖計數法原理圖 
  該方法原理的使用流程是:當控制臺接收到光電觸發開始信號并發出計時/計數命令后,當檢測到某個流量儀表(假設先檢測到標準表)輸出信號的個高電平來臨,計數器分別開始對標準表、被檢表進行脈沖計數;當控制臺接收到光電觸發停止信號并發出計時/計數停止命令后,檢測到標準表輸出信號的個高電平來臨時,停止計時/計數,記錄標準表脈沖計數和檢測時間分別為  和  ,被檢表脈沖計數和檢測時間分別為N  和  ;當標準表開始計時后,被檢表輸出信號的高電平來臨,計數器分別開始對標準表、被檢表進行脈沖計數,當計時/計數停止命令發出后,檢測到被檢表輸出信號的個高電平來臨時,停止計時/計數,記錄被檢表脈沖計數和檢測時間分別為  和  。在數據處理時,利用流量儀表在一個穩定的流量點下發出的頻率 f 是固定的,可以得到: 
被檢表的脈沖數: N  =  ×計算公式
  標準表法檢測流量計時,則利用控制臺發出計數/計時命令后,以下過程同上。 從上面幾個式子可以看出,采用這種方法后,計數誤差便只取決于計時器的計時準確度。 

3、試驗流體的穩定度:
  水流量波動的大小,也就是試驗介質的穩定度對檢測系統裝置的擴展不確定度是個很重要的指標。依照檢定規程,被檢儀表的每一個流量點下都需要多次檢定,每個工作流量點每次檢測時,水泵電機轉速引起的水流波動經過變頻和穩壓容器的消氣穩流得到緩沖消除,此處可忽略。 
  2014 年,天津大學的陳卓[27]通過更換不同的水流管路徑進行試驗研究,結果證明管路結構中管路直徑大小的不同對流量計檢測中試驗介質水流的穩定性有較大影響,因此應盡量選擇合適的管徑。山東大學的郭蘭蘭[22]通過彎管內加裝導流片進行數值模擬可知該方法可以有效減少彎管帶來的水流波動的影響。因此在管路設計中盡可能的減少試驗管路彎頭以及在彎管內加裝導流片來解決。 

4、本章小結:
  由于影響流量計檢測系統中水流量標準裝置的計量準確度的因素繁多且復雜,僅僅根據標準化規程采取措施來控制每一影響因素是不夠的,在實際應用中很難達到,所以為了盡可能減小決定標準裝置準確度的系統誤差,通過本章對系統檢測計量的主要誤差影響因素進行了深入分析研究并給出了相應的解決辦法,可以***大限度的提高系統檢測精度。

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