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計算機數字處理技術在氣體流量標準裝置上的應用
發布時間：2017-09-01
計算機數字處理技術應用于氣體流量標準裝置, 使操作過程中的流量調整、各種數據的采集與分析實現自動化, 極大地提高了計量標準的準確性和重復性。同時,通過計算機數據處理生成報表, 還提高了工作效率, 避免了人為操作誤差。
一、氣體裝置構成與工作過程(如圖1所示)
氣體裝置主要由以下五部分構成:
1.各種不同計量管線與氣動夾表器, 用于連接被檢氣體流量計(以下簡稱“被檢表”)。
2.出口容器和滯止容器。滯止容器內有數只不同規格的臨界流噴嘴并聯, 計算機控制出口容器氣動閥門選定不同的噴嘴組合, 以滿足當前檢定流量的要求。
3.水環真空設備組用于降低和保持出口容器的壓力, 使噴嘴喉部氣體流速達到臨界流狀態, 以滿足檢定的必要條件。
4.管線與滯止容器的溫度和絕對壓力變送器, 用于采集當前工況狀態。
5.計算機檢定控制系統由主控計算機、操作軟件、數據采集控制柜構成, 完成檢定過程控制、數據采集與處理。
氣體裝置是按照JJG620- 1994《臨界流流量計》設計制造的。以干燥、清潔大氣作為檢定介質, 其工作過程:啟動空氣壓縮機和水環真空設備, 操作者輸入所需參數, 計算機根據所設流量大小自動打開相應的噴嘴氣動閥門。在真空設備的作用下不斷降低噴嘴出口壓力, 當出口壓力下降到一定數值后, 氣體收縮等熵膨脹達到噴嘴喉部臨界壓力, 此時噴嘴喉部流速達到音速, 流動出現壅塞現象, 通過計量管線的質量流量保持恒定, 滿足檢定條件。計算機通過執行機構定時采集溫度和壓力等模擬信號和被檢表數據, 計算出流過被檢表的標準流量與被檢表自身輸出的流量值, 二者比較可得出被檢表的流量系數、線性誤差、重復性誤差和不確定度。控制流程圖如圖2所示。
二、氣體裝置計算機控制部分(如圖3所示)
計算機控制部分的構成如下:
1.工控計算機和操作系統: 工控計算機通過專用的接口實現與各個控制單元的通信, 在流量計檢定操作系統界面上, 完成全過程的流量調節、檢定過程控制。
2.脈沖計數與定時器單元: 采集被檢表輸出脈沖并累計; 定時單元精確控制檢定時間。
3.高精度A/D轉換單元: 用于測量輸出模擬信號的被檢表。
4.多路I/O控制單元: 控制真空泵的啟動與停止和不同口徑噴嘴的組合, 實現流量的自動調節。
5.多媒體部分: 由圖像采集卡和攝像設備構成, 利用計算機的圖像采集技術, 采集被檢表顯示流量。
三、計算機控制部分數據采集處理過程
氣體裝置運行過程中, 計算機數據采集是通過上述各個執行單元, 將環境的模擬變量轉換為計算機識別的數字變量, 并通過這些變量, 由計算機控制流量數據運算。數據采集可分為兩部分, 一是標準數據采集, 即計算標準流量; 二是采集被檢表的流量。
標準流量采集與處理, 根據JJG620- 1994, 在實際條件下每只噴嘴的臨界流量方程式為:
中: qm―――臨界流量; A*―――噴嘴喉部面積; C―――流出系數; C*―――實際氣體臨界流函數( 對實際氣體一維流動而言); P0―――噴嘴入口處氣體絕對滯止壓力; R―――通用氣體常數; M―――摩爾質量; T0―――氣體絕對滯止溫度。
氣體裝置的標準流量就是所選擇若干音速噴嘴的質量流量qm之和。參與運算的有7個參數, 其中, C是音速噴嘴的流出系數、實際流量與理論流量的比值, 是對一維、等熵流的修正; 在原級標準上用pVTt法校準得到, 不確定度優于0.2%。R是空氣氣體常數。M是空氣氣體分子量。A*是音速噴嘴的喉部面積, 噴嘴加工完成后即為固定數值, 按JJG620- 1994檢驗獲得, 不確定度應優于0.1%。這些數據對于已檢驗合格的標準噴嘴在一定的環境下是常數, 可通過操作界面輸入計算機系統參與檢定結果計算。P0、T0分別為滯止絕對壓力和滯止溫度, 是在等熵過程中氣體流速度變為零時的壓力與溫度。P0、T0是通過噴嘴入口前滯止容器處實測的絕對壓力P1和溫度T1, 由計算機按照具體的計算公式計算導出的。當噴嘴喉部面積與入口直徑之比小于0.2時, 滯止容器處絕對壓力P1和溫度T1可以替代P0、T0。P1、T1直接參與標準流量值的運算, 采集準確度直接影響氣體裝置的測試結果, 所以要求絕對壓力和溫度選用準確度等級高的智能變送器。智能變送器具有數字信號傳輸功能, 與計算機以通信協議方式實現數- 數連接, 即計算機通過數據總線直接讀取變送器傳送的結果數值。這種方式不存在其他的轉換所帶來的誤差, 極大地提高了整個氣體裝置的準確度。由于工作條件接
近于自然環境, 氣體裝置工作壓力小于等于標準大氣壓力, 壓力變送器量程范圍為(0~0.12)kPa, 溫度變送器量程范圍為0℃~50℃。
C*為實際氣體臨界流函數。在編制操作系統時, 輸入C*與P0、T0對應的數據列表, 計算機根據當前的P0、T0就可以得出C*。
根據這些參數, 計算機系統可計算出裝置的標準流量, 式(1)導出的流量是瞬時質量流量qm, 計量單位為kg/s。
常用的流量是體積流量。氣體的體積流量分標準參比條件下的體積流量qvn和工況參比條件下的體積流量qv。標準參比條件為20℃( 293.15K) , 絕對壓力為760mmHg( 101.325kPa) ; 工況參比條件取裝置上被檢表工作狀態下的絕對壓力和溫度。用何種流量單位, 由計算機系統根據錄入的被檢流量計示值單位自動給出。為了保證換算過程中的不確定度, 空氣密度取當地標準參比條件空氣密度, 并按JJG620- 1994中的公式( 7) 修正。被檢表實際流量采集: 用于氣體計量的流量計種類很多, 較普遍的為差壓式和速度式流量計兩種。按照國家頒布的JJG198- 1994《速度式流量計》檢定規程, 將流量計分為A、B兩類, 不同類別的被檢表流量采集與計算方法也不同。
A類流量計輸出頻率信號, 通過傳輸電纜連接到數據采集控制柜脈沖計數與高精度定時單元, 信號經整形放大后輸入本單元微處理器。用微處理器構成的單元又叫下位機, 主控計算機為上位機, 上、下位機通過數據總線連接。下位機執行上位機命令, 實時采集處理現場數據。裝置進入檢定狀態后, 上位機發送檢定開始命令, 并傳送檢定設定時間t; 下位機接收到命令后, 執行檢定開始程序, 檢測被檢表輸入脈沖; 當接收到脈沖的上升沿時, 啟動定時器并開始累計輸入脈沖; 定時時間達到檢定時間后, 檢測到輸入脈沖上升沿便停止脈沖累計, 并保存累計結果和檢定時間ti, 然后上傳計算機處理, 等待下一次檢定開始命令。時序圖如圖4所示。
t與ti有一定的差別, 計算機按照ti計算流量, 其測量準確度不受被檢表輸出頻率高低的影響。參比流量的標準值單位是瞬時流量(m3/h), A類被檢表計量單位是在檢定時間內的累計流量; 統一單位參比, 要求檢定時間一定要精確, 微處理器振蕩頻率為12MHz, 定時器分辨率為1ns, 這樣才可滿足高精度定時要求。
B類流量計輸出流量的采集: B類流量計輸出模擬信號為(4~20) mA或直接讀取顯示瞬時流量。B類流量計輸出信號, 輸入到數據采集控制柜高精度A/D轉換單元。計算機無法識別模擬信號, 必須經過相應的模數轉換(A/D) 器件將模擬信號轉換成數字信號( 二進制) 供計 算 機 處 理 。 A/D轉 換 采 用 14 位 雙 積 分 芯 片 型 號ADC679, 被檢流量計最小流量qmin和最大流量qmax分別對應其輸出信號4mA和20mA。A/D轉換結果在被檢流量計流量范圍內也有固定的對應數值, 輸入4mA時, A/D轉換輸出為RL=0; 輸入20mA時, A/D轉換輸出RH=6553; 計算機根據當前轉換值R, 就可以計算出被檢流量計瞬時流量。輸出流量與電流的對應關系如式(2)所示:
中: q―――被檢表瞬時流量; I―――被檢表輸出電流值。
輸出流量與A/D轉換數值的對應關系如式(3)所示:
式中: q―――被檢表瞬時流量; R―――計算機讀取當前流量下被檢表轉換數值; RH―――計算機讀取被檢表最大流量轉換數值; RL―――計算機讀取被檢表最小流量轉換數值。
檢驗、校準B類被檢表一定要在所標稱的流量范圍內計量, 否則結果會不正確, 因為多數被檢表在超出流量范圍時, 瞬時流量與轉換數值關系不符合式(2) 的要求; 當被檢表超出流量范圍時, 輸出信號不會隨流量變化而變化。
對于無發訊的被檢表采用計算機圖像采集技術,檢測被檢表顯示流量。在計量管線處安裝一個可移動的攝像設備, 調整焦距和光圈, 使其對準被檢表顯示部分, 通過視頻電纜連接至計算機內部圖像采集卡, 被檢表流量就清晰地顯示在計算機的界面上, 圖像采集卡具有動態和靜態影像采集功能。當準備工作完成后, 檢定開始, 計算機自動拍取一幀, 被檢表檢定起始流量數值Q0( 累計量) 的圖像, 自動編號存盤; 設定的檢定時間達到后, 計算機再同步拍取一幀, 被檢表檢定結束, 流量數值Q1的圖像自動編號存盤。所有流量點都重復上述過程。
檢定結束后, 按順序回看每幀圖像, 對照各個檢定點錄入到計算機, 計算機根據Q0和Q1等數據, 即可計算出被檢表每點每次的累計流量。這種檢測方法誤差很小, 因為拍照時間與檢定時間之比很小。檢定時間越長, 誤差就越小。人工操作無法與之相比。
計算機系統管理軟件按照JJG198- 1994檢定規程相關規定, 自動編制處理檢定結果數據, 以報表的形式輸出打印, 并給出被檢表修正常數。
摘自：中國計量測控網
