CN104776896B - 一种液体流量仪表动态检定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体流量仪表动态检定系统和方法，其包括储液池、中央控制通信系统、变频流速调节系统、流量仪表系统和质量液位计量器。中央控制通信系统控制变频流速调节系统调节流经流体管路的流体流速，同时流量仪表系统测量流体流量数据并传输至中央控制通信系统，质量液位计量器测量流经流量仪表系统的流体质量和体积数据并传输至中央控制通信系统，通过中央控制通信系统数据处理获得标准流量仪表、质量液位计量器、被校流量仪表所测得的全量程瞬时质量或体积流量曲线，通过三条曲线对比达到检定目的。本发明操作自动化程度高，精度更加准确可靠，避免了传统标准表法可能带来的测量标准有误情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体流量仪表标定系统和方法，主要涉及液体流量仪表检定瞬时体积或质量流量的系统和方法，属于流量仪表标定技术领域。
背景技术
液体流量仪表在工业生产过程中被广泛使用，在一些复杂的生产工艺中对流量仪表的快速性、线性度、精度等具有较高要求，特别是在一些响应时间和精度要求较高的闭环流量控制系统中，流量仪表良好的动态性能是保证整个闭环系统达到设计要求指标的前提条件。对于流量仪表的研制生产单位，产品研发过程需要对产品的性能进行不断测试，测试结果对分析产品设计中存在的问题很有帮助；同时产品送审计量部门前也需要事先对产品的性能进行测试，以确保符合相关指标要求。仪表在长时间使用过程中由于老化、污染阻塞等原因会使得仪表精度发生变化，因此需要定期对仪表进行标定。综上述，方便快捷、高效可靠地对流量仪表动态性能进行检定对高性能流量仪表研发和流量控制系统设计都十分重要。
中国实用新型专利文献CN201788002U公开了《一种小口径流量仪表检定装置》，装置由高位水池、水泵、手动流量调节阀、检定通道、换管接头、电子称等构成。水泵将水送入高位水塔使其溢流，以提供稳定压力，这种装置结构简单、体积庞大、不易移动、设备封闭性差；使用手动调节阀调节流量难以实现动态标定中对管道流量的连续控制要求；电子称读数采用人工方式既不准确也不及时。该标定设备结构简单，自动化程度低，只适合仪表的简单静态标定。
中国发明专利文献CN101561309A公开了一种《管路流量仪表在线检定装置及其检定方法》，装置采用非接触式超声波流量计作为标准表，从被校仪表表盘图片识别示数的方法来检定流量仪表，同时具备数据远传的能力。该装置和方法的优点是非在线、无需被校仪表具有信号输出接口，其缺点是无法连续测量被校仪表的全量程流量曲线，非接触式标准仪表测量的精度无法准确验证，采用模式识别的方法读取被校仪表示数时图像获取和处理带来的误差不易控制。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的自动化程度低、无法连续测量全程流量曲线、标准流量曲线精度无法准确验证、误差不易控制等不足，提供一种液体流量仪表动态检定系统及方法，测量得到的精度更加准确可靠，避免了传统标准表法可能存在的测量标准有误情况。
为了实现上述目的，本发明提供一种液体流量仪表动态检定系统，包括储液池、中央控制通信系统、变频流速调节系统、流量仪表系统、质量液位计量器和流体管路；储液池的出液端与变频流速调节系统的进液端连接，变频流速调节系统的出液端与流量仪表系统的进液端连接，流量仪表系统的出液端与质量液位计量器的进液端连接，质量液位计量器的出液端通过流体管路与储液池的回液端连接；
中央控制通信系统控制变频流速调节系统调节流经流体管路的流体流速，流量仪表系统测量流体流量数据并传输至中央控制通信系统，质量液位计量器测量流经流量仪表系统的流体质量和体积数据并传输至中央控制通信系统，中央控制通信系统计算全量程内流量仪表系统和质量液位计量器所测流体的瞬时质量和体积流量曲线。
进一步的，中央控制通信系统包括中央控制器、485集线器、流量采集器、无线接收器、计量称二次仪表，中央控制器与485集线器通过TTL电平半双工串行通信连接，中央控制器与流量采集器、无线接收器、计量称二次仪表通过TTL电平全双工串行通信连接；中央控制器通过集线器与变频流速调节系统和流量仪表系统构成通信网络，中央控制器通过集线器控制变频流速调节系统的流体流速；流量仪表系统通过集线器和流量采集器将流量数据传输至中央控制器；质量液位计量器将流经流量仪表系统的流体质量和体积数据分别通过计量称二次仪表和无线接收器传输至中央控制器；换向器设置在流量仪表系统和质量液位计量器之间，切换流体至质量液位计量器或储液池，中央控制器控制换向器的切换状态。
进一步的，变频流速调节系统包括变频调速水泵、变频器、手动安全开关和交流接触器、，储液池的出液端与变频调速水泵连接，变频调速水泵受变频器驱动，变频器通过集线器受中央控制器控制；手动安全开关与交流接触器串接在变频器的供电线路上，交流接触器受中央控制器开关量控制用于控制变频器电源通断。
进一步的，流量仪表系统包括标准流量表和被校流量仪表，标准流量表与变频调速水泵出液端连接，被校流量仪表的出液端与换向器进液端连接，标准流量仪表和被校流量仪表前后串联在流体管路上；标准流量表测量得到的流体瞬时体积数据通过485集线器传输至中央控制器，被校流量仪表测量得到的瞬时体积流量或质量流量数据传输至中央控制器。
进一步的，质量液位计量器包括称量容器和计量称一次称台，在称量容器上边缘设置液位测量器，通过无线接收器与中央控制器连接；称量容器放置于计量称一次称台上，所述计量称一次称台通过计量称二次仪表与中央控制器连接；称量容器底部边缘设有一个排空阀，通过排空阀和流体管路将称量容器中流体排放至储液池。
进一步的，中央控制器与系统交互设备连接，系统交互设备包括触摸屏或上位机，中央控制器与触摸屏通过并行数据传输方式连接进行数据交互，中央控制器与上位机通过以太网进行数据传输，实现人机交互功能。
基于液体流量仪表动态检定系统的方法，通过变频流速调节系统使管道流速在被校流量仪表全量程内线性匀速增加或按需要测试的曲线增加，此时中央控制器分别同时测量称量容器中流体质量m(t)和容器液位高度h(t)，标准流量仪表中瞬时体积流量qv1(t)，被校流量仪表瞬时体积流量qv2(t)或瞬时质量流量qm2(t)；根据流体质量m(t)和容器液位高度h(t)计算出流体密度ρ、标准流量仪表瞬时质量流量qm1(t)、质量液位容器所测瞬时体积流量qv0(t)和质量流量qm0(t)；
中央控制器处理获取到的数据后绘制标准流量仪表、被校流量仪表、质量液位容器在管道流速加速过程中的瞬时体积或质量流量曲线，根据绘制的曲线可直观评价检定系统本身检定准确度和被校流量仪表测动态性能。
具体方法步骤为：
1)打开排空阀直至液位测量器测到称量容器液位高度为空容器时的高度h0；读取标准流量仪表和被校流量仪表瞬时流量，若不为0，系统提示校准仪表零位；同时，将计量称示数清零；
2)闭合排空阀，换向器将流体通路切换到称量容器，使用匀加速方式控制变频器输出三相变频交流电使变频水泵匀加速运行；中央控制器开始以固定频率依次采集标准流量表瞬时体积流量qv1(t)、被校流量仪表瞬时质量流量qm2(t)或瞬时体积流量qv2(t)、计量称二次仪表质量读数m(t)、称量容器内液位高度h(t)；
3)计算流体密度ρ：根据公式v(t)＝πr2(h(t)-h0)计算出称量容器内的流体体积v(t)，其中r为称量容器内半径，即可得，瞬时流体密度ρ(t)＝m(t)/v(t)，对所测量的ρ(t)历史数据求平均得到流体密度ρ；
4)计算标准流量仪表的瞬时质量流量qm1(t)＝ρqv1(t)；
5)求取质量液位容器所测瞬时体积流量qv0(t)和瞬时质量流量qm0(t)，分别为：
6)根据测得的标准流量仪表、被校流量仪表和质量液位容器瞬时体积流量qv1(t)、qv2(t)和qv0(t)历史数据，绘制瞬时体积流量检定图；
7)根据计算出的标准流量仪表的瞬时质量流量qm1(t)，被校流量仪表和质量液位容器瞬时质量流量qm2(t)和qm0(t)历史数据，绘制瞬时质量流量检定图，完成液体流量仪表的动态检定。
有益效果：本发明优点如下：
1、本发明系统采用变频流速调节系统代替传统的高位水塔系统减小了设备体积，增加了系统封闭性，同时可以按标定要求使用开环和闭环控制管道内流体流量变化从而可定制测试流量曲线。
2、质量液位计量容器测得的流量曲线与标准流量仪表的流量曲线对比可以验证管道内标准流量曲线的准确性。
3、通过系统交互设备设定好设备通信参数和检定过程参数后，设备可以自动完成动态检定、结果分析和结果曲线绘制工作，效率和准确性高。
附图说明
图1为本发明实施例的系统整体构成示意图。
图2为本发明实施例的质量流量实时标定方法流程图。
图3为本发明实施例的瞬时体积流量标定曲线图。
图4为本发明实施例的瞬时质量流量标定曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1，一种液体流量仪表动态检定系统，包括储液池120、中央控制通信系统101、变频流速调节系统102、流量仪表系统103、质量液位计量器104和流体管路107；储液池120的出液端与变频流速调节系统102的进液端连接，变频流速调节系统102的出液端与流量仪表系统103的进液端连接，流量仪表系统103的出液端与质量液位计量器104的进液端连接，质量液位计量器104的出液端通过流体管路107与储液池120的回液端连接；
中央控制通信系统101控制变频流速调节系统102调节流经流体管路107的流体流速，流量仪表系统103测量流体流量数据并传输至中央控制通信系统101，质量液位计量器104测量流经流量仪表系统103的流体质量和体积数据并传输至中央控制通信系统101，中央控制通信系统101计算全量程内流量仪表系统103和质量液位计量器所测流体的瞬时质量和体积流量曲线。
中央控制通信系统的具体构成：中央控制通信系统101包括中央控制器110、485集线器111、流量采集器112、无线接收器113、计量称二次仪表114，中央控制器110与485集线器111通过TTL电平半双工串行通信连接，中央控制器110与流量采集器112、无线接收器113、计量称二次仪表114通过TTL电平全双工串行通信连接；中央控制器110通过集线器111与变频流速调节系统102和流量仪表系统103构成485通信网络，中央控制器110通过集线器111控制变频流速调节系统102的流体流速；流量仪表系统103通过集线器111和流量采集器112将流量数据传输至中央控制器110，流量采集器112具有流量计常用的485、232、脉冲、4～20mA接口；质量液位计量器104将流经流量仪表系统103的流体质量和体积数据分别通过计量称二次仪表114和无线接收器113传输至中央控制器110；换向器106设置在流量仪表系统103和质量液位计量器104之间，切换流体至质量液位计量器104或储液池120，中央控制器110控制换向器106的切换状态。
变频流速调节系统102的具体构成：变频流速调节系统102包括变频调速水泵121、变频器122、手动安全开关124和交流接触器125，储液池120的出液端与变频调速水泵121连接，变频调速水泵121受变频器122输出频率可变的三相电驱动，变频器122通过485集线器111接受中央控制器110发送过来的控制命令，变频器122的输出频率在[0,60]Hz，使得水泵输出流量范围[1,3]m3/s；手动安全开关124与交流接触器125串接在变频器122的供电线路上，手动开关用于设备调试和设备紧急制动，交流接触器125受中央控制器110开关量控制用于控制变频器电源通断；外部电源接头为三角插头，与单相AC220V市电连接。
流量仪表系统103的具体构成：流量仪表系统103包括标准流量表130和被校流量仪表131，标准流量表130与变频调速水泵121出液端连接，被校流量仪表131的出液端与换向器106进液端连接，标准流量仪表130和被校流量仪表131前后串联在流体管路上，两个流量仪表的前后端保证仪表规定的足够直管段长度；标准流量表130测量得到的流体瞬时体积数据通过485集线器111传输至中央控制器110，被校流量仪表131测量得到的瞬时体积流量或质量流量数据通过485通信网络传输至中央控制器110。
质量液位计量器104的具体构成：质量液位计量器104包括称量容器141和计量称一次称台142，在称量容器141上边缘设置液位测量器140，液位测量器140具有ZigBee发射器，可与中央控制系统101中ZigBee无线接收器113进行通信以便将测得的液位数据传递至中央控制器110中；称量容器141放置于计量称一次称台142上，计量称一次称台142中设置有应变电阻式传感器，其输出模拟电信号传递给计量称二次仪表114转换成标准信号后传递给中央控制器110；称量容器141底部边缘设有一个排空阀143，排空阀为一个二通电磁阀，其收中央控制器上的驱动电路控制通断，通过排空阀143和流体管路107可将称量容器141中流体排放至储液池120，仪表为标定过程提供初始条件。
中央控制器110与系统交互设备105连接，系统交互设备105包括触摸屏150或上位机151，中央控制器110与触摸屏150通过并行数据传输方式连接进行数据交互，中央控制器110与上位机151通过以太网进行数据传输，实现人机交互功能。
如图2，基于液体流量仪表动态检定系统的方法，通过变频流速调节系统102使管道流速在被校流量仪表131全量程内线性匀速增加或按需要测试的曲线增加，此时中央控制器110分别同时测量称量容器141中流体质量m(t)和容器液位高度h(t)，标准流量仪表130中瞬时体积流量qv1(t)，被校流量仪表131瞬时体积流量qv2(t)或瞬时质量流量qm2(t)；根据流体质量m(t)和容器液位高度h(t)计算出流体密度ρ、标准流量仪表(130)瞬时质量流量qm1(t)、质量液位容器104所测瞬时体积流量qv0(t)和质量流量qm0(t)；中央控制器110处理获取到的数据后绘制标准流量仪表130、被校流量仪表131、质量液位容器104在管道流速加速过程中的瞬时体积或质量流量曲线，根据绘制的曲线可直观评价检定系统本身检定准确度和被校流量仪表测动态性能。
具体方法步骤为：
1)打开排空阀143直至液位测量器140测到称量容器141液位高度为空容器时的高度h0；读取标准流量仪表130和被校流量仪表131瞬时流量，若不为0，系统提示校准仪表零位；同时，将计量称示数清零；
2)闭合排空阀143，换向器106将流体通路切换到称量容器141，使用匀加速方式控制变频器122输出三相变频交流电使变频水泵121匀加速运行；中央控制器110开始以固定频率依次采集标准流量表130瞬时体积流量qv1(t)、被校流量仪表131瞬时质量流量qm2(t)或瞬时体积流量qv2(t)、计量称二次仪表114质量读数m(t)、称量容器141内液位高度h(t)；
3)计算流体密度ρ：根据公式v(t)＝πr2(h(t)-h0)计算出称量容器141内的流体体积v(t)，其中r为称量容器141内半径，即可得，瞬时流体密度ρ(t)＝m(t)/v(t)，对所测量的ρ(t)历史数据求平均得到流体密度ρ；
4)计算标准流量仪表130的瞬时质量流量qm1(t)＝ρqv1(t)；
5)求取质量液位容器104所测瞬时体积流量qv0(t)和瞬时质量流量qm0(t)，分别为：
6)根据测得的标准流量仪表130、被校流量仪表131和质量液位容器104瞬时体积流量qv1(t)、qv2(t)和qv0(t)历史数据，绘制瞬时体积流量检定图，如图3；
7)根据计算出的标准流量仪表130的瞬时质量流量qm1(t)，被校流量仪表131和质量液位容器104瞬时质量流量qm2(t)和qm0(t)历史数据，绘制瞬时质量流量检定图，完成液体流量仪表的动态检定，如图4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于液体流量仪表动态检定系统的方法，其特征在于：
(1)构建液体流量仪表动态检定系统，包括储液池(120)、中央控制通信系统(101)、变频流速调节系统(102)、流量仪表系统(103)、质量液位计量器(104)、换向器(106)和流体管路(107)；储液池(120)的出液端与变频流速调节系统(102)的进液端连接，变频流速调节系统(102)的出液端与流量仪表系统(103)的进液端连接，流量仪表系统(103)的出液端与质量液位计量器(104)的进液端连接，质量液位计量器(104)的出液端通过流体管路(107)与储液池(120)的回液端连接；
中央控制通信系统(101)包括中央控制器(110)、485集线器(111)、流量采集器(112)、无线接收器(113)、计量称二次仪表(114)，中央控制器(110)与485集线器(111)通过TTL电平半双工串行通信连接，中央控制器(110)与流量采集器(112)、无线接收器(113)、计量称二次仪表(114)通过TTL电平全双工串行通信连接；
换向器(106)设置在流量仪表系统(103)和质量液位计量器(104)之间，切换流体至质量液位计量器(104)或储液池(120)，中央控制器(110)控制换向器(106)的切换状态；
变频流速调节系统(102)包括变频调速水泵(121)、变频器(122)、手动安全开关(124)和交流接触器(125)，储液池(120)的出液端与变频调速水泵(121)连接，变频调速水泵(121)受变频器(122)驱动，变频器(122)通过集线器(111)受中央控制器(110)控制；手动安全开关(124)与交流接触器(125)串接在变频器(122)的供电线路上，交流接触器(125)受中央控制器(110)开关量控制用于控制变频器(122)电源通断；
流量仪表系统(103)包括标准流量表(130)和被校流量仪表(131)，标准流量表(130)与变频调速水泵(121)出液端连接，被校流量仪表(131)的出液端与换向器(106)进液端连接，标准流量仪表(130)和被校流量仪表(131)前后串联在流体管路上；
质量液位计量器(104)包括称量容器(141)和计量称一次称台(142)，在称量容器(141)上边缘设置液位测量器(140)，通过无线接收器(113)与中央控制器(110)连接；称量容器(141)放置于计量称一次称台(142)上，所述计量称一次称台(142)通过计量称二次仪表(114)与中央控制器(110)连接；称量容器(141)底部边缘设有一个排空阀(143)，通过排空阀(143)和流体管路(107)将称量容器(141)中流体排放至储液池(120)；
中央控制器(110)与系统交互设备(105)连接，系统交互设备(105)包括触摸屏(150)或上位机(151)，中央控制器(110)与触摸屏(150)通过并行数据传输方式连接进行数据交互，中央控制器(110)与上位机(151)通过以太网进行数据传输；
(2)通过变频流速调节系统(102)使管道流速在被校流量仪表(131)全量程内线性匀速增加或按需要测试的曲线增加，此时中央控制器(110)分别同时测量称量容器(141)中流体质量m(t)和容器液位高度h(t)，标准流量仪表(130)中瞬时体积流量qv1(t)，被校流量仪表(131)瞬时体积流量qv2(t)或瞬时质量流量qm2(t)；根据流体质量m(t)和容器液位高度h(t)计算出流体密度ρ、标准流量仪表(130)瞬时质量流量qm1(t)、质量液位容器(104)所测瞬时体积流量qv0(t)和质量流量qm0(t)；
(3)中央控制器(110)处理获取到的数据后绘制标准流量仪表(130)、被校流量仪表(131)、质量液位容器(104)在管道流速加速过程中的瞬时体积或质量流量曲线，根据绘制的曲线可直观评价检定系统本身检定准确度和被校流量仪表测动态性能。
2.根据权利要求1所述基于液体流量仪表动态检定系统的方法，其特征在于，具体方法步骤为：
1)打开排空阀(143)直至液位测量器(140)测到称量容器(141)液位高度为空容器时的高度h0；读取标准流量仪表(130)和被校流量仪表(131)瞬时流量，若不为0，系统提示校准仪表零位；同时，将计量称示数清零；
2)闭合排空阀(143)，换向器(106)将流体通路切换到称量容器(141)，使用匀加速方式控制变频器(122)输出三相变频交流电使变频水泵(121)匀加速运行；中央控制器(110)开始以固定频率依次采集标准流量表(130)瞬时体积流量qv1(t)、被校流量仪表(131)瞬时质量流量qm2(t)或瞬时体积流量qv2(t)、计量称二次仪表(114)质量读数m(t)、称量容器(141)内液位高度h(t)；
3)计算流体密度ρ：根据公式v(t)＝πr2(h(t)-h0)计算出称量容器(141)内的流体体积v(t)，其中r为称量容器(141)内半径，即可得，瞬时流体密度ρ(t)＝m(t)/v(t)，对所测量的ρ(t)历史数据求平均得到流体密度ρ；
4)计算标准流量仪表(130)的瞬时质量流量qm1(t)＝ρqv1(t)；
5)求取质量液位容器(104)所测瞬时体积流量qv0(t)和瞬时质量流量qm0(t)，分别为：
6)根据测得的标准流量仪表(130)、被校流量仪表(131)和质量液位容器(104)瞬时体积流量qv1(t)、qv2(t)和qv0(t)历史数据，绘制瞬时体积流量检定图；
7)根据计算出的标准流量仪表(130)的瞬时质量流量qm1(t)，被校流量仪表(131)和质量液位容器(104)瞬时质量流量qm2(t)和qm0(t)历史数据，绘制瞬时质量流量检定图，完成液体流量仪表的动态检定。
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