電磁流量計(jì)系統(tǒng)測(cè)試與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
摘要：本章 先對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行測(cè)試，然后介紹了模擬信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法， 后給出實(shí)際流體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)論。
5．1系統(tǒng)性能測(cè)試
本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)大量采用 儀表設(shè)計(jì)技術(shù)，本節(jié)對(duì)開(kāi)關(guān)式恒流源勵(lì)磁模塊、通用輸入開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源和空管檢測(cè)功能的性能做了測(cè)試。
電磁流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)
5．1．1開(kāi)關(guān)式恒流源
由于電磁流量傳感器線圈的內(nèi)阻會(huì)隨著使用時(shí)間和溫度而產(chǎn)生漂移。當(dāng)線圈阻值在定范圍內(nèi)變化時(shí)，如果恒流源無(wú)法保證有很的精度，那么線圈內(nèi)阻變化就會(huì)造成傳感器磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化會(huì)使測(cè)量出現(xiàn)誤差。因而恒流源能在多大范圍線圈阻值內(nèi)保持相應(yīng)的精度成了電磁流量計(jì)個(gè)重要的性能指標(biāo)。同時(shí)，大范圍的適應(yīng)電阻變化，可以使得轉(zhuǎn)換器配用不同口徑的傳感器時(shí)無(wú)需對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。所以開(kāi)關(guān)式恒流源穩(wěn)定性的測(cè)試有著重要的意義。開(kāi)關(guān)式恒流源的實(shí)驗(yàn)條件為：在常溫下，輸入電源為220伏交流，使用水泥電阻來(lái)代替線圈內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格見(jiàn)表5—1。表5—1恒流源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線圈內(nèi)阻(o) 輸出恒流(mA) O 244 17 244 68 244 75 242 開(kāi)關(guān)式恒流源設(shè)計(jì)的理論值為線圈內(nèi)阻從O～70Q恒流源均可以滿足要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線圈從0～68歐姆逐漸增大，勵(lì)磁恒流源的輸出直保持恒定，電流測(cè)量?jī)x表觀察不到電流的變化，恒流源達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
5．1．2 輸入式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源
輸入式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試系統(tǒng)抑制電源電壓波動(dòng)的能力。實(shí)驗(yàn)條件為：在常溫下，使用水泥電阻來(lái)代替線圈內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)裝置圖見(jiàn)圖5l， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格見(jiàn)表5～2。自耦變壓水泥電阻圖5—1開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)原理圖表5—2開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)l交流輸入(v) 線圈內(nèi)阻(Q) 輸出恒流(mA) 50 0 244 50 68 244 248 O 244 248 68 2“ 輸入式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的理論值是輸入交流85伏～265伏均能正常工作。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，能提供交流電源的上限就是248伏，所以本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是： 當(dāng)輸入從交流50伏～248伏變化，線圈內(nèi)阻從O～68歐姆逐漸增大，勵(lì)磁恒流源的輸出直保持恒定，在可分辨的精度內(nèi)未觀察到變化，開(kāi)關(guān)電源達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
5．1．3空管檢測(cè)功能
當(dāng)電磁流量計(jì)的測(cè)量管中的液體未充滿管道時(shí)，流量計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)不能真實(shí)地反映液體的流量。若液面降低到電以下時(shí)，兩電相當(dāng)于浮空，此時(shí)轉(zhuǎn)換器反而會(huì)收到很大的干擾信號(hào)，會(huì)以為有很大的流量。為此，在電磁流量計(jì)安裝、使用過(guò)程中通常要求電磁流量計(jì)的管道必須充滿被測(cè)液體。但在實(shí)際應(yīng)用中，很難保汪管道始終充滿液體。因此空管檢測(cè)功能對(duì)電磁流量轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是非常必要的。本系統(tǒng)空管檢測(cè)的原理是基于檢測(cè)電之間的電阻，測(cè)量出來(lái)的是個(gè)無(wú)量綱與電阻阻值成正比的比值，電之間的電阻越大則測(cè)量出來(lái)這個(gè)比值就越大。當(dāng)這個(gè)值過(guò)定的閾值，轉(zhuǎn)換器就認(rèn)為傳感器處于空管狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉測(cè)量， 停止累計(jì)流量。若此時(shí)報(bào)警功能打開(kāi)，還應(yīng)輸出報(bào)警信號(hào)。但實(shí)際使用時(shí)，由于傳感器口徑、測(cè)量液體和傳感器與轉(zhuǎn)換器之間的距離不同，難以預(yù)先設(shè)定個(gè)統(tǒng)的閾值，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定這個(gè)閩值。使用方法是先做實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)出空管和滿管時(shí)這個(gè)正比于電阻的比值，然后取空管和滿管比值的平均值作為閩值設(shè)入轉(zhuǎn)換器。接著使傳感器空管，看是否報(bào)警，再使傳感器滿管，看報(bào)警是否鰓除， 反復(fù)驗(yàn)證幾次。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)空管檢測(cè)功能正常，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
5．2模擬信號(hào)發(fā)生器
5．2．1模擬信號(hào)發(fā)生器的重要性
對(duì)于轉(zhuǎn)換器的基本性能測(cè)試，需要使用信號(hào)模擬器。主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器與傳感器配套使用的互換性對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、維護(hù)修理和生產(chǎn)過(guò)程的分別管理有著十分重要的意義。具有互換性對(duì)于用戶可以減少備件的儲(chǔ)備、節(jié)約資；對(duì)于廠家可以形成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、提效率、保證質(zhì)量、降低成本。由于傳感器的勵(lì)磁器件和制造裝配很難達(dá)到完全致，磁場(chǎng)的有限長(zhǎng)度與渦電流的響，測(cè)量管的有限長(zhǎng)度，測(cè)量管的加工均存在誤差，這些因素造成實(shí)際生產(chǎn)的傳感器測(cè)量值分散性問(wèn)題難以解決。而應(yīng)用模擬信號(hào)發(fā)生器使所有轉(zhuǎn)換器的信號(hào)放大倍數(shù)樣后，只要在轉(zhuǎn)換器內(nèi)輸入傳感器標(biāo)定系數(shù)，則所有的傳感器對(duì)于轉(zhuǎn)換器而言就是致的。這就解決了由于傳感器的分散性造成難以互換的難題。
5．2．2模擬信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)
典型的模擬電磁流量信號(hào)發(fā)生器的工作原理圖見(jiàn)圖5—2。圖5—2標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源原理示意圖圖中Rl和R12是功率電阻，其它的電阻均為精密繞線電阻，精度不低于O．05％。串聯(lián)接入轉(zhuǎn)換器勵(lì)磁電流輸出回路小阻值、純電阻R的采樣電阻，其兩端的電壓正比于勵(lì)磁電流大小，與勵(lì)磁電流的波形、相位和頻率致，可以代表流量信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器是用精密、標(biāo)準(zhǔn)的純電阻將電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的低頻矩形波勵(lì)磁電流變換為沖電壓，然后經(jīng)過(guò)精度、穩(wěn)定電阻分壓，獲得的低頻矩形波微伏信號(hào)作為模擬流量信號(hào)，提供給電磁流量轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端， 用來(lái)進(jìn)行流速設(shè)定、線性檢查。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器能夠模擬流量計(jì)的流向，檢查電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器對(duì)流向的鑒別能力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器分為1l檔， 從0到15m／s，并有正負(fù)兩個(gè)流向。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器實(shí)物圖見(jiàn)圖5—3。圖5～3模擬信號(hào)發(fā)生器實(shí)物圖
5．3校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法介紹
為了確定電磁流量計(jì)的流量值或流量測(cè)量值的準(zhǔn)確度，必須對(duì)電磁流量計(jì)實(shí)施校準(zhǔn)。校準(zhǔn)也稱為標(biāo)定或校驗(yàn)，包括以‘F兩方面：(1)將量值傳遞給儀表， 確定流量標(biāo)度標(biāo)記所處的位置(或確定流量標(biāo)度輸出的信號(hào))；(2)調(diào)整儀表的輸出與標(biāo)準(zhǔn)值(參比值)進(jìn)行比較，以判別儀表準(zhǔn)確度，測(cè)定其誤差值。
5．3。1智能電磁流量計(jì)校準(zhǔn)方法分類
電磁流量計(jì)的流量校準(zhǔn)有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種方法【67“91。直接測(cè)量法也稱為實(shí)流校準(zhǔn)法，是以實(shí)際流體流過(guò)被校驗(yàn)儀表，再用別的標(biāo)準(zhǔn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)或流量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具)測(cè)出流過(guò)流體的流量，與被校儀表的流量值作比較。這種方法有人稱為濕法標(biāo)定。實(shí)流校準(zhǔn)法獲得的流量計(jì)既可靠又準(zhǔn)確，為目前許多流量?jī)x表(如電磁流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、科里輿利質(zhì)量流量計(jì))所采用，而且作為建立標(biāo)準(zhǔn)流量的方法。制造廠在電磁流量計(jì)出廠前均以實(shí)流校準(zhǔn)法在流量標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置(有時(shí)簡(jiǎn)稱流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或流量校準(zhǔn)裝置)上完成流量量值傳遞過(guò)程。使用單位對(duì)定期檢定和檢修后的儀表亦要在流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置上作實(shí)流校準(zhǔn)。流量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程建立的，并由家授權(quán)的專門機(jī)構(gòu)認(rèn)定，能作流量量值傳遞的裝置，是提供流量量值的校準(zhǔn)設(shè)備，其量值 終可溯源到質(zhì)量、時(shí)閱和溫度的家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。干法校準(zhǔn)是種間接校準(zhǔn)法，是以測(cè)量電磁流量傳感器的流通面積等結(jié)構(gòu)尺寸和磁通密度B，計(jì)算流量值，獲得相應(yīng)的 度。千法校準(zhǔn)是在20世紀(jì)70年代用來(lái)解決大口徑電磁流量計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校準(zhǔn)問(wèn)題的方法之--[5 71。
5．3．2電磁流量計(jì)實(shí)流校準(zhǔn)
孔板流量計(jì)在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上校準(zhǔn)時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)值的比較方法可以分為流量法和總量法兩類。總量法是比較儀表的累積體積流量值V。和標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)體積v。，以確定儀表示值或其誤差。雖然校準(zhǔn)是在指定的流量下進(jìn)行，由于比較的量是總量， 所以對(duì)流量穩(wěn)定性的要求可以低些。
流量法則要求在預(yù)定的穩(wěn)定流量下進(jìn)行，儀表在預(yù)定的示值流量(q，)。下運(yùn)行段時(shí)間t后，在標(biāo)準(zhǔn)裝置上收集到流過(guò)儀表的流體容積V。，求得標(biāo)準(zhǔn)流量(q。)。=vs／t，然后比較(q。)。與(q。)。。這是傳統(tǒng)的儀表實(shí)流校驗(yàn)方法，要求在t時(shí)間內(nèi)流量q。有較的穩(wěn)定性。流量?jī)x表采用總量法校驗(yàn)方法后，降低了流量穩(wěn)定性要求，簡(jiǎn)化了流量標(biāo)準(zhǔn)裝囂維持流量穩(wěn)定性的設(shè)篪，別在大型裝景上大幅度降低了位槽溢流所需能量消耗，這種方法己普遍為儀表制造廠所采用。但是傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法在研究和計(jì)量機(jī)構(gòu)內(nèi)仍處于重要地位，用來(lái)研究開(kāi)發(fā)或評(píng)定流量?jī)x表性能。電磁流量計(jì)實(shí)流校準(zhǔn)常用的方法有：(1)容積時(shí)間法；(2)質(zhì)量時(shí)聞法； (3)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比較法。前兩所用流量標(biāo)準(zhǔn)裝胃稱原始標(biāo)準(zhǔn)裝置，后稱傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置。由于前兩種標(biāo)定方法的設(shè)備都比較復(fù)雜，投資較大，不是每個(gè)單位都有條件設(shè)置的。因此作采用比較簡(jiǎn)單方便的標(biāo)準(zhǔn)表比較法。
5．3．3標(biāo)準(zhǔn)表比較法
標(biāo)準(zhǔn)表比較法是用精度等的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與被校驗(yàn)流量?jī)x表串聯(lián)，流體同時(shí)流過(guò)二，比較二的示值，確定被檢表的誤差，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。此方法費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)單，家技術(shù)監(jiān)督局制作了相應(yīng)的“檢定規(guī)程”，頒布有JJG 643 --94《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》。裝置準(zhǔn)確度應(yīng)不低于被檢表準(zhǔn)確度的1／2。標(biāo)準(zhǔn)表的前后直管段，～般不小于同類型普通表直管段的長(zhǎng)度，被校表的前后直管段，應(yīng)滿足表說(shuō)明書要求。標(biāo)準(zhǔn)表和被校表之間連接管段的容積，在滿足直管段要求的條件下盡量小。流量調(diào)節(jié)閥般應(yīng)安裝在表的下游側(cè)，調(diào)節(jié)性能要穩(wěn)定。
5．3．4流量?jī)x表精度傳遞的準(zhǔn)確度分析
流量單位的值傳遞歷來(lái)是按照檢定系統(tǒng)的規(guī)定，由不同準(zhǔn)確度的計(jì)量器具(不同的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì))所組成的不連續(xù)等進(jìn)行的，且應(yīng)滿足相鄰等準(zhǔn)確度不相等原則。如果以8表示流量值的復(fù)現(xiàn)誤差，i為準(zhǔn)確度等序號(hào)，則必須滿足6 I+l>6，。目前的所有檢定規(guī)程中，作為必備的條件之，都有類似的表述：JJG 198—94裝置的誤差應(yīng)不過(guò)被檢流量計(jì)基本誤差限的1／2； JJG 643--94裝置的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于被檢表準(zhǔn)確度的1／2； JJG 257—94裝置準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于檢流量計(jì)基本誤差限的1／2； JJG 897—95裝置準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于檢流量計(jì)基本誤差限的1／3； JJG 667—97裝置的誤差般不過(guò)流量計(jì)基本誤差限的1／3， 不過(guò)流量計(jì)基本誤差限的1／2； 這意味著檢定0．2到0．5的精度流量?jī)x表(如渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等)時(shí)，對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提出很要求。個(gè)簡(jiǎn)單檢定方案隨著需求被提出。這里涉及到個(gè)等精度傳遞的概念。外已成功地把等精度傳遞的理論應(yīng)用于實(shí)際傳遞系統(tǒng)，將個(gè)流量范圍很小的 流量基準(zhǔn)通過(guò)系列傳遞鏈將流量單位傳遞給生產(chǎn)中使用的流量?jī)x表[70]。下面介紹下等精度傳遞的概念171】： 根據(jù)相鄰等準(zhǔn)確度不相等原則，不能用準(zhǔn)確度等為6的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)同樣準(zhǔn)確度等的被檢流量?jī)x表進(jìn)行檢定。然后，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置， 不管標(biāo)準(zhǔn)表是A類儀表，還是B類儀表，當(dāng)定點(diǎn)使用時(shí)，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度6為6=±[E：+E；+E；+E；]“2 (5—1) 式中E。為檢定標(biāo)準(zhǔn)表用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度；Er為標(biāo)準(zhǔn)表單次測(cè)量的限相對(duì)誤差，使用儀表系數(shù)和不使用儀表系數(shù)時(shí)分別取式(5—2)和式(5—3) 的 值。㈨+t。警×10慨(51) (E，)。：±t。墼些×100％ (5—3) qj 式中：o K和o co分別為某檢定點(diǎn)上儀表系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(使用儀表系數(shù)利) 和流量修正值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(不使用儀表系數(shù)時(shí))。EI和E2分別表示在標(biāo)準(zhǔn)表不帶配套儀表起檢定時(shí)以及在檢定條件與使用條件不符的情況下所引起的附加誤差。從式(5—1)可以看出，如果暫時(shí)不考慮E，和E2，且將標(biāo)準(zhǔn)表固定在某檢定點(diǎn)使用時(shí)，Er的值就是標(biāo)準(zhǔn)表在該檢定點(diǎn)的重復(fù)性誤差。實(shí)踐已經(jīng)證明，某些儀表(如電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等)的重復(fù)性非常好，甚比B要出個(gè)量。由式(5—1) 可以看到，當(dāng)Er
根據(jù)等精度傳遞系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)‘721，可以得出以下結(jié)論： 先，用重復(fù)性誤差小的流量?jī)x表作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)組建標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用定點(diǎn)檢定法可以使裝置準(zhǔn)確度接近上標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度，所以，上標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度幾乎可以不受損失地傳遞給下標(biāo)準(zhǔn)裝置；其次，用等精度傳遞的方法建立壓大流量范圍的標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)準(zhǔn)裝置，無(wú)論是裝置的綜合性能，還是建立裝置的經(jīng)濟(jì)性都比傳統(tǒng)方法有明顯優(yōu)勢(shì)： 后，在等精度傳遞的基礎(chǔ)上， 流量基準(zhǔn)可以是個(gè)流量范圍比較小，但準(zhǔn)確度很的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。用等精度傳遞的方法，可以建立擴(kuò)大流量范圍的工作基準(zhǔn)，并逐步傳遞到各個(gè)大流量檢定站和各種流量?jī)x表。使整個(gè)流量量值傳遞鏈經(jīng)濟(jì)實(shí)用。