唐山市计量测试所 河北唐山 063000
摘要：基于气体流量计离线送检成本较高以及超声波流量计高精确度、高稳定性的特点，根据时差法超声波流量计的工作原理，设计出一套可对气体流量计进行在线检定的标准装置。现场实验证明；系统可实现标准超声波流量计和被检流量计的流量数据采集，显示以及数据处理，并通过实验分析了影响检测精确度的各种因素，为气体流量计的计量检定和量值溯源提供了有效保障。
关键词：气体流量计；超声波；在线检定；精确度
1 时差法超 声波流量计测量原理
超声波流量计按其工作原理主要可分为时差式、相差式、频差式、多普勒超声波流量计等。时差法测量超声波原理是通过发射超声波换能器以与气体流动方向成锐角发射超声波信号，由接收超声波换能器接收超声波信号，通过测量超声波在管道气体中的顺流和逆流的传播时间差计算气体的流速，进一步推导出气体的流量。超声波流量计尤其适用于大管径或者不易接触等特殊场合，是非接触测量的一种。
2 系统构成及检定过程
2．1 系统构成
气体流量计在线检定系统采用双声道超声换能器夹在特殊材质的管道上，将被检流量计和标准流量计串联起来，通过采集被检流量计和标准流量计的流量信息，存储相对应的瞬时流量最终通过对比，计算出二者误差，整套实验装置的示意图，如图1 所示。
在上位机中控制标准表的检定时间，将被检流量计某一时间的流量信号保存在下位机中，当一个流量点检定完成后，由上位机根据检定的起止时间通过 lntem et网络查询被检表的流量，从而完成精确测量。由于外夹式流量计无法精确测量管道截面积以及插入式流量计必须使超声波接触介质，不能在线测量等缺点，该系统采用西门子改造的一种带换能器探头的标准管段，可以实现探头和换能器的分离。
2.2 检定过程
(1)管道材质及表面处理。根据标准流量计上可供选择的材质类型，选择与所用管道相同或者相近的材质类型，并利用砂布对标准管道表面进行打磨处理。然后在测量好的管道上粘贴CC129膜，以便使换能器更顺利地采集超声波信号。
(2)安装超声换能器。双通道超声波流量计共4个换能器，安装的时候需注意两对换能器的对应，一对全为A，另外一对为B。另外与流量计和换能器相连的4 条电缆线，同样将一对换能器与一个通道相连的电缆对应，并根据管道中气体的流动方向分清电缆上所对应的uP和DOWN，在换能器与管道接触表面均匀涂上耦合剂，安装时以全面耦合为最佳，避免换能器与管道之间缝隙的存在，影响超声波信号的测量。(3)换能器信号检测。在超声波流量计上输入管道参数和管道中的气体参数建立检定现场，流量计将根据输入的参数，给定换能器的安装距离。换能器安装完之后流量计将进行自检过程，若安装正确，流量计屏幕上会出现一个对话框显示当时的信号强度和管道内的声速。
3 硬件设计
3.1 信号调理模块
由标准流量计和被检流量计采集的信号是4—20m A的电流信号，由于输出的模拟信号且比较微弱，因此需进行放大、滤波和调幅等处理。由于此装置用来完成计量检定，因此对精确度要求较高，选择AD8250作为放大芯片，该程控放大器具有低的输出噪声及低失真性等特点，可保证输出信号的稳定性。A／D转换芯片选择AD7321，它是一个双通道、12位带符号位的逐次逼近型 A／D转换器，该转换器有高速串行接口，最高吞吐量可达500K SPS，具有精度高，转换速度快且功耗低等优点。
3.2 人机接口电路
人机接口电路的设计目标是为了给工作人员提供友好的工作平台，协助完成计量检定工作，使气体流量计的检定流程可以集检测、数据处理、生成检定结果报告和检定记录于一体，并最终打印检定结果证书。该系统通过USB采集芯片来实现信号的采集，通过软件编程完成可视化操作界面，实现人与计算机以及外部更多辅助设备的信息交换。
4 软件设计
该设计采用面相对象的思想，用户界面采VB程序设计开发，检定数据采用M icrosoft Access数据库进行管理。数据传输部分通过使用动态链接库和初始化函数来实现A／D数据采集。检定开始时，将换能器等信息采集装置安装到待测管道上，待传感器等测量电路连接完备，进入到主程序界面，每隔一段时间采集流量信息，同时在检定界面上显示，并且将流量数据保存数据库中。将标准表与被检表的瞬时流量和累积流量分别对比，得到误差和不确定度。软件工作流程为；系统上电后，首先对采集模块进行初始化，初始化主要完成设定采集信号时间间隔、检定点数等准备工作，设置好A／D转换频率之后，启动A／D转换，当转换结束后，读取采集到的数据，存储到缓存区域，然后对采集到的相应流量点的数据，通过相关公式进行计算，转换为被检仪表的时流量和累计流量，并将有关数据结果存储起来。可视化操作界面可根据流量计的种类选择不同的检定方式，如A／D 转换、脉冲方式和视频采集方式等，检定完成后将结果通过数据库存储起来，以便查询历史记录。
5 系统的应用及影响测量精确度因素分析
5.1 系统的应用
气体流量计检定系统与传统检定装置相比，体积小，易于携带，适用于现场检测。实验前需对现场检定所采用的外夹式1010GCN超声波流量计进行实验室检定，精度符合相关计量检定标准方可作为现场标准检定计量器具。将外夹式标准超声波流量计的传感器安装于被检管段式流量计前端管道上，排除温度、压力、气体参数等因素的影响，表1为用1010GCN超声波流量计作为现场标准流量计进行在线测量的数据。实验通过4 次测量，得到被检流量计和标准超声波流量3m in内的累积流量。设被检表流量记为Q，在线检定系统所用标准超声波流量计流量为Q，计算公式为：
现场试验数据证明，受现场温度等环境因素影响，被检流量计虽然与实验室检定结果有一定的差异，但其工作稳定，误差均在检定规程允许的范围之内。所用标准超声波流量计虽有波动，但完全可以作为现场检定流量计的计量器具。
5.2 影响测量精确度因素分析
(1)现场检定环境跟实验室相比，现场检定时信号传播衰减幅度大、检波不稳定、信号干扰严重及流场影响等问题，需要采取一定的措施尽量减少外界环境因素带来的影响。(2)通过实验，找出一种能替代金属管道作为安装换能器的管道，成为该系统需要解决的另外一个问题。(3)换能器安装方式的影响。针对现场检定低压环境下，不同管道材质对换能器安装方式有一定影响。流量积算仪的推荐安装方式为V型，对于流态分布紊乱使应用条件变差的流体，反射式安装可提供补偿。直射式(z)型安装可以获得较强的换能器信号，由于系统采用塑料管道，管道材料对声速的衰减较大，采用z型安装效果更好。(4)换能器安装距离的影响。探头的安装距离必须保证准确。在检定中为了保证最佳信号强度，需要根据标准流量计上提供的换能器最佳距离，平行移动2个探头，在保证探头的安装距离符合要求的前提下寻找最佳安装点，并通过实际测量确保探头的安装距离准确无误。
6 软件设计
传感器节点负责数据采集和上传任务，节点在正常状态和休眠状态间进行切换，其中工作时间和休眠周期由网关节点控制并实现同步，软件设计考虑协议栈和应用程序的实现，并采用低功耗工作模式。采集和整个软件系统分为初始化、入网、命令处理、数据采集等部分。传感器节点的软件设计采用模块化程序设计，包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。主程序首先完成初始化工作，初始化包括配置时钟，配置单片机ADC12的寄存器，SD存储FAT16文件系统的初始化，配置无线通信模块等。
7 结论
随着国内事业的飞速发展，在线校准检定是未来发展的重要趋势，特别是运用方便小巧的检定装置。多次试验表明，可以总结出提高检定装置准确性的方法，能够使得在线检定准确度达到预期的技术指标，并且越来越广泛化。
参考文献：
[1]林孝工，刘月棠，王宏建．多维置信距离方法的研究。自动化技术与应用，1997，16(3)：33—35．
[2]张晓东，施云．基于Bayes信息融合的几何产品测量不确定度评定方法．中国仪器仪表，2010(3)：67—70．
论文作者:王赫兢
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/30
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