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计算机数字处理技术在气体流量标准装置上的应用
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2017-01-29

计算机数字处理技术应用于气体流量标准装置, 使操作过程中的流量调整、各种数据的采集与分析实现自动化, 极大地提高了计量标准的准确性和重复性。同时,通过计算机数据处理生成报表, 还提高了工作效率, 避免了人为操作误差。

一、气体装置构成与工作过程(如图1所示)

气体装置主要由以下五部分构成:

1.各种不同计量管线与气动夹表器, 用于连接被检气体流量计(以下简称“被检表”)。

2.出口容器和滞止容器。滞止容器内有数只不同规格的临界流喷嘴并联, 计算机控制出口容器气动阀门选定不同的喷嘴组合, 以满足当前检定流量的要求。

3.水环真空设备组用于降低和保持出口容器的压力, 使喷嘴喉部气体流速达到临界流状态, 以满足检定的必要条件。

4.管线与滞止容器的温度和绝对压力变送器, 用于采集当前工况状态。

5.计算机检定控制系统由主控计算机、操作软件、数据采集控制柜构成, 完成检定过程控制、数据采集与处理。

气体装置是按照JJG620- 1994《临界流流量计》设计制造的。以干燥、清洁大气作为检定介质, 其工作过程:启动空气压缩机和水环真空设备, 操作者输入所需参数, 计算机根据所设流量大小自动打开相应的喷嘴气动阀门。在真空设备的作用下不断降低喷嘴出口压力, 当出口压力下降到一定数值后, 气体收缩等熵膨胀达到喷嘴喉部临界压力, 此时喷嘴喉部流速达到音速, 流动出现壅塞现象, 通过计量管线的质量流量保持恒定, 满足检定条件。计算机通过执行机构定时采集温度和压力等模拟信号和被检表数据, 计算出流过被检表的标准流量与被检表自身输出的流量值, 二者比较可得出被检表的流量系数、线性误差、重复性误差和不确定度。控制流程图如图2所示。

二、气体装置计算机控制部分(如图3所示)

计算机控制部分的构成如下:

1.工控计算机和操作系统: 工控计算机通过专用的接口实现与各个控制单元的通信, 在流量计检定操作系统界面上, 完成全过程的流量调节、检定过程控制。

2.脉冲计数与定时器单元: 采集被检表输出脉冲并累计; 定时单元精确控制检定时间。

3.高精度A/D转换单元: 用于测量输出模拟信号的被检表。

4.多路I/O控制单元: 控制真空泵的启动与停止和不同口径喷嘴的组合, 实现流量的自动调节。

5.多媒体部分: 由图像采集卡和摄像设备构成, 利用计算机的图像采集技术, 采集被检表显示流量。

三、计算机控制部分数据采集处理过程

气体装置运行过程中, 计算机数据采集是通过上述各个执行单元, 将环境的模拟变量转换为计算机识别的数字变量, 并通过这些变量, 由计算机控制流量数据运算。数据采集可分为两部分, 一是标准数据采集, 即计算标准流量; 二是采集被检表的流量。

标准流量采集与处理, 根据JJG620- 1994, 在实际条件下每只喷嘴的临界流量方程式为:

中: qm———临界流量; A*———喷嘴喉部面积; C———流出系数; C*———实际气体临界流函数( 对实际气体一维流动而言); P0———喷嘴入口处气体绝对滞止压力; R———通用气体常数; M———摩尔质量; T0———气体绝对滞止温度。

气体装置的标准流量就是所选择若干音速喷嘴的质量流量qm之和。参与运算的有7个参数, 其中, C是音速喷嘴的流出系数、实际流量与理论流量的比值, 是对一维、等熵流的修正; 在原级标准上用pVTt法校准得到, 不确定度优于0.2%。R是空气气体常数。M是空气气体分子量。A*是音速喷嘴的喉部面积, 喷嘴加工完成后即为固定数值, 按JJG620- 1994检验获得, 不确定度应优于0.1%。这些数据对于已检验合格的标准喷嘴在一定的环境下是常数, 可通过操作界面输入计算机系统参与检定结果计算。P0、T0分别为滞止绝对压力和滞止温度, 是在等熵过程中气体流速度变为零时的压力与温度。P0、T0是通过喷嘴入口前滞止容器处实测的绝对压力P1和温度T1, 由计算机按照具体的计算公式计算导出的。当喷嘴喉部面积与入口直径之比小于0.2时, 滞止容器处绝对压力P1和温度T1可以替代P0、T0。P1、T1直接参与标准流量值的运算, 采集准确度直接影响气体装置的测试结果, 所以要求绝对压力和温度选用准确度等级高的智能变送器。智能变送器具有数字信号传输功能, 与计算机以通信协议方式实现数- 数连接, 即计算机通过数据总线直接读取变送器传送的结果数值。这种方式不存在其他的转换所带来的误差, 极大地提高了整个气体装置的准确度。由于工作条件接

近于自然环境, 气体装置工作压力小于等于标准大气压力, 压力变送器量程范围为(0~0.12)kPa, 温度变送器量程范围为0℃~50℃。

C*为实际气体临界流函数。在编制操作系统时, 输入C*与P0、T0对应的数据列表, 计算机根据当前的P0、T0就可以得出C*。

根据这些参数, 计算机系统可计算出装置的标准流量, 式(1)导出的流量是瞬时质量流量qm, 计量单位为kg/s。

常用的流量是体积流量。气体的体积流量分标准参比条件下的体积流量qvn和工况参比条件下的体积流量qv。标准参比条件为20℃( 293.15K) , 绝对压力为760mmHg( 101.325kPa) ; 工况参比条件取装置上被检表工作状态下的绝对压力和温度。用何种流量单位, 由计算机系统根据录入的被检流量计示值单位自动给出。为了保证换算过程中的不确定度, 空气密度取当地标准参比条件空气密度, 并按JJG620- 1994中的公式( 7) 修正。被检表实际流量采集: 用于气体计量的流量计种类很多, 较普遍的为差压式和速度式流量计两种。按照国家颁布的JJG198- 1994《速度式流量计》检定规程, 将流量计分为A、B两类, 不同类别的被检表流量采集与计算方法也不同。

A类流量计输出频率信号, 通过传输电缆连接到数据采集控制柜脉冲计数与高精度定时单元, 信号经整形放大后输入本单元微处理器。用微处理器构成的单元又叫下位机, 主控计算机为上位机, 上、下位机通过数据总线连接。下位机执行上位机命令, 实时采集处理现场数据。装置进入检定状态后, 上位机发送检定开始命令, 并传送检定设定时间t; 下位机接收到命令后, 执行检定开始程序, 检测被检表输入脉冲; 当接收到脉冲的上升沿时, 启动定时器并开始累计输入脉冲; 定时时间达到检定时间后, 检测到输入脉冲上升沿便停止脉冲累计, 并保存累计结果和检定时间ti, 然后上传计算机处理, 等待下一次检定开始命令。时序图如图4所示。

t与ti有一定的差别, 计算机按照ti计算流量, 其测量准确度不受被检表输出频率高低的影响。参比流量的标准值单位是瞬时流量(m3/h), A类被检表计量单位是在检定时间内的累计流量; 统一单位参比, 要求检定时间一定要精确, 微处理器振荡频率为12MHz, 定时器分辨率为1ns, 这样才可满足高精度定时要求。

B类流量计输出流量的采集: B类流量计输出模拟信号为(4~20) mA或直接读取显示瞬时流量。B类流量计输出信号, 输入到数据采集控制柜高精度A/D转换单元。计算机无法识别模拟信号, 必须经过相应的模数转换(A/D) 器件将模拟信号转换成数字信号( 二进制) 供计 算 机 处 理 。 A/D转 换 采 用 14 位 双 积 分 芯 片 型 号ADC679, 被检流量计最小流量qmin和最大流量qmax分别对应其输出信号4mA和20mA。A/D转换结果在被检流量计流量范围内也有固定的对应数值, 输入4mA时, A/D转换输出为RL=0; 输入20mA时, A/D转换输出RH=6553; 计算机根据当前转换值R, 就可以计算出被检流量计瞬时流量。输出流量与电流的对应关系如式(2)所示:

中: q———被检表瞬时流量; I———被检表输出电流值。

输出流量与A/D转换数值的对应关系如式(3)所示:

式中: q———被检表瞬时流量; R———计算机读取当前流量下被检表转换数值; RH———计算机读取被检表最大流量转换数值; RL———计算机读取被检表最小流量转换数值。

检验、校准B类被检表一定要在所标称的流量范围内计量, 否则结果会不正确, 因为多数被检表在超出流量范围时, 瞬时流量与转换数值关系不符合式(2) 的要求; 当被检表超出流量范围时, 输出信号不会随流量变化而变化。

对于无发讯的被检表采用计算机图像采集技术,检测被检表显示流量。在计量管线处安装一个可移动的摄像设备, 调整焦距和光圈, 使其对准被检表显示部分, 通过视频电缆连接至计算机内部图像采集卡, 被检表流量就清晰地显示在计算机的界面上, 图像采集卡具有动态和静态影像采集功能。当准备工作完成后, 检定开始, 计算机自动拍取一帧, 被检表检定起始流量数值Q0( 累计量) 的图像, 自动编号存盘; 设定的检定时间达到后, 计算机再同步拍取一帧, 被检表检定结束, 流量数值Q1的图像自动编号存盘。所有流量点都重复上述过程。

检定结束后, 按顺序回看每帧图像, 对照各个检定点录入到计算机, 计算机根据Q0和Q1等数据, 即可计算出被检表每点每次的累计流量。这种检测方法误差很小, 因为拍照时间与检定时间之比很小。检定时间越长, 误差就越小。人工操作无法与之相比。

计算机系统管理软件按照JJG198- 1994检定规程相关规定, 自动编制处理检定结果数据, 以报表的形式输出打印, 并给出被检表修正常数。

摘自:中国计量测控网


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