摘 要：流量是工業生產過程檢測控制中的一個重要參數，目前，用于流量測量的流量計型式多種多樣，而脈沖信號輸出的流量計的應用越來越廣泛，本文就脈沖信號流量計檢定/校準中，其儀表系數K的兩種實現方法進行分析。

關鍵字：

    流量是工業生產過程檢測控制中的一個重要參數，目前，用于流量測量的流量計型式多種多樣，而脈沖信號輸出的流量計的應用越來越廣泛，本文就脈沖信號流量計檢定/校準中，其儀表系數K的兩種實現方法進行分析。

    一、脈沖信號流量計儀表系數K的定義

    流量計輸出為脈沖信號時，該脈沖信號的頻率f與流過管道的體積流量q_v成正比，其比例系數即為流量計的儀表系數K，即

      （1）

    在同一時間內，流量計發出的脈沖數N與流過管道的流體體積V成正比，其比例系數也為流量計的儀表系數K，即

      （2）

    在流量計的檢定中，通常用流量計儀表系數K的誤差來評價流量計的準確度等級。我所研制了主動式體積管油流量標準裝置，用來完成各式流量計的檢定/校準工作。該裝置的測量原理圖如圖1所示。

圖1 油流量標準裝置測量原理圖

    電機驅動油缸內活塞產生需要的平穩流量，流經被檢流量計后回到油箱，流過被檢流量計的流體體積q_v用活塞橫截面積A乘以活塞移動距離l，l用光柵來測量。被檢流量計的脈沖信號通過數據采集卡采集。

    二、脈沖信號流量計儀表系數K的測定原理

    相同時間t內，根據式（2）可得

       （3）

    式中：l———單位時間t內，流體流過的距離；l₁——光柵每個輸出脈沖對應的距離；A——流體截面積；N₂——光柵輸出脈沖數；N₁——流量計輸出脈沖數。

    因為l₁、A是固定值，記，則

        （4）

    K系數的測定轉化為同一時間內流量計脈沖數和光柵脈沖數的測定。

    另外，根據式（1）可得

       （5）

    式中：f₁——流量計的輸出頻率；f₂——光柵脈沖頻率。

    因此，K系數的測定又轉化為流量計輸出頻率f₁和光柵脈沖頻率f₂的測量。

    三、儀表系數K的兩種實現方法

    1.軟件實現測量

    根據式（4），如圖2所示，定時脈沖上升沿觸發流量計脈沖和光柵脈沖開始計數，下降沿觸發二者停止計數。該方法實現的系統環境為：帶ISA插槽工控機，Windows98系統，VisualC++編程語言，中科院數據采集卡。實現K系數測量時，根據流量計準確度給出預計流量計脈沖數，工控機發出開始測量信號，同時讀取流量計脈沖計數器和光柵脈沖計數器的讀數，并且定時器清零，然后實時查詢流量計脈沖計數器讀數，待該計數器值大于或等于預計流量計脈沖數時，停止計數，同時記錄光柵脈沖計數器值和定時器值。由實驗得到，軟件查詢執行引起的誤差可以忽略不計。由于這種方法是在同一時間內，直接測量流量計和光柵脈沖數，每次測量有一個脈沖的誤差，所以，測量準確度和所計脈沖個數有關，如果計1000個脈沖，測量的相對誤差為0.1%，記的脈沖個數越多，測量的準確度越高，相對應的測量時間就越長。顯然，這種方法不能保證記錄t時間內流量計脈沖和光柵脈沖的整數個脈沖。

圖2 軟件實現測量原理圖

    以0.2級脈沖流量計為例，測量結果如表1所示（預計流量計脈沖數5000）。

表1 測量結果

    2.硬件實現雙頻計時

    根據式（5），流量計頻率和光柵頻率的測量不要求完全同步，即以犧牲同步獲得頻率測量的準確性。相對于流量計脈沖和光柵脈沖來說，計時脈沖是一個10MHz高頻脈沖，保證測時準確度，用來分別測時T₁和T₂，測量誤差為10^-7。計時脈沖1在啟/停脈沖上升沿后，流量計脈沖的第一個上升沿觸發，計時器脈沖2在啟/停脈沖上升沿后，光柵脈沖的第一個上升沿觸發，計時脈沖1在啟/停脈沖下降沿后，流量計的第一個上升沿停止計時T₁，計時脈沖2在啟/停脈沖下降沿后，光柵脈沖的第一個上升沿停止計時T₂。這樣保證分別在T₁、T₂時間內，記錄的流量計脈沖和光柵脈沖是完整個數，如圖3所示。

圖3 雙頻計時原理圖1

    這種方法的優點是，當流量計輸出頻率很小時，可以在大于流量計脈沖周期的時間內，精確測量流量計脈沖頻率和光柵脈沖頻率。

    自動實現雙計時法時，操作者通過計算機設置流量計脈沖數，通過流量計脈沖計數器溢出信號來停止測量。

    原理如圖4所示。

圖4 雙頻計時原理圖2

    具體實現過程如下：

    （1）設定預計流量計脈沖數N，則N₁=N，流量計脈沖計數器設置減計數，光柵脈沖計數器設置增計數，初始值為1。

    （2）計算機發出啟動控制信號，高電平。

    （3）流量計脈沖、光柵脈沖的第一個上升沿，計時脈沖1、計時脈沖2分別開始計時。

    （4）當N₁=0時，流量計脈沖計數器溢出標志輸出信號，測量停止，計時脈沖1停止測量。

    （5）光柵脈沖計數器在溢出標志輸出之后的下一個上升沿停止計數測量，同時計時器2停止計時。

    由于多個計數器計數，雙頻計時實現K系數測量時，預計流量計脈沖數不少于3個。以0.2級脈沖流量計為例，測量結果如表2所示（預計流量計脈沖數50）。

表2 測量結果

    四、結論

    JJG1037-2008《渦輪流量計》檢定規程中，檢定條件項規定：對于脈沖輸出的流量計，應保證一次檢定中流量計輸出的脈沖數的測量結果由分辨率帶來的相對不確定度不大于被檢流量計最大允許誤差絕對值的1/10。軟件實現測量時，對于低頻信號，要保證測量準確度，測量時間過長、工作效率低；硬件實現雙頻計時，由于是整脈沖計數，測量準確度和測量脈沖數沒太大關系，測量準確度高，優于0.01%，每次測量時間短、工作效率高。