CN106679773A

CN106679773A - 基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法

Info

Publication number: CN106679773A
Application number: CN201710066289.0A
Authority: CN
Inventors: 徐科军; 许伟; 汪春畅; 吴建平; 梁利平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2017-05-17

Abstract

本发明为一种基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法。在仪表的量程范围内合理地选择6个或者5个流速点，并标定得出各个流速点的线性系数；观察仪表的线性系数，把电磁流量计的量程分为大流速区间和小流速区间；分别计算出大流速区间的仪表特征系数和小流速区间的仪表特征系数。

Description

基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法

技术领域

本发明涉及电磁流量计技术领域，特别是涉及一种基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数的计算方法。

背景技术

电磁流量计是基于电磁感应原理工作的，较为广泛地应用于供水、石油、化工、造纸和冶金等行业中的水流量和浆液流量的测量。电磁流量计由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表由流量管、励磁线圈和电极等组成，二次仪表由励磁电路、信号调理和处理电路等组成。励磁线圈被励磁电路驱动，在管道部分中产生工作磁场；导电液体流过管道部分，切割磁力线，产生感应电动势；电极拾取感应电动势，送至信号调理和处理电路；信号调理和处理电路把微弱的感应电动势信号进行放大、滤波和提取，计算出与流速成线性关系的幅值信号；根据仪表特征系数，把幅值信号转换成流速；再根据管道部分的内径和测量时间计算出累积流量。

电磁流量计在出厂前需要进行水流量标定实验，以保证在出厂之后的准确测量。所谓标定就是为电磁流量计提供标准的累积流量，测试电磁流量计输出的累积流量，据此计算出电磁流量计的仪表特征系数，并设置进仪表。所谓仪表特征系数就是把二次仪表提取的与流速相关的感应电动势幅值信号转换成实际流速的系数。它反映了流量计的测量性能。一台仪表的仪表特征系数可以由一个或一组参数构成，例如有常数项系数、一次项系数和二次项系数等。电磁流量计检定规程(JJG1033-2007)中没有给出仪表特征系数的计算方法。目前，电磁流量计仪表特征系数的计算方法有：量程中点比例法、绝对误差法、示值误差法和线性系数求平均法。所谓线性系数就是标准流速与二次仪表提取的与流速相关的感应电动势幅值信号的比值。

量程中点比例法的计算公式为V＝K*(U-b)，其中，V表示测量流速，U表示二次仪表根据感应电动势信号计算得到的幅值信号，K是仪表特征系数中的一次项系数，b是仪表特征系数中的常数项系数，也称为零点。具体方法是：首先，令K＝1，b＝0，使导电流体处于静止状态(零流量状态)，由二次仪表计算出该状态下的幅值信号U_o，令b＝U_o，设置进仪表。然后，选择仪表测量流速上限和测量流速下限的平均值(即量程中点)进行标定，得到K值。即在一定时间段内，用标定桶和二次仪表同时累计流过同一管道的流量，分别计算出标准流速和幅值信号均值，用标准流速除以去零点之后的幅值信号的均值就得到K值。

绝对误差法的计算公式为V＝K*U+b，其中，V表示测量流速，U表示幅值信号，K是仪表特征系数中的一次项系数，b是仪表特征系数中的常数项系数。具体方法是：在仪表的量程范围内，选择五个流速点(即最大流速点的100％、70％、50％、30％和10％)进行标定，每个流速点标定两次，分别计算每个流速点下的标准流速和幅值信号的平均值。利用最小二乘法对标准流速和幅值信号的平均值进行拟合，得到一次项系数K和常数项系数b。

示值误差法计算仪表特征系数的公式与绝对误差法相同，且得到标准流速和幅值信号平均值的方法也相同。不同的是，绝对误差法是以绝对误差的平方和最小为驱动，示值误差法是以示值误差平方和最小为驱动，计算出一次系数K和常数项系数b。

线性系数求平均法的计算公式为K＝(K₁+K₂+…+K_n)/n，其中，K为仪表特征系数，K₁，K₂，…，K_n为不同流速点下的线性系数，n为选取流速点的个数。具体方法为：在仪表的量程范围内，选择五个流速点(即最大流速点的100％、70％、50％、30％和10％)进行标定，每个流速点标定一次，并计算每个流速点下的线性系数，分别记为K₁、K₂、K₃、K₄和K₅。仪表特征系数就等于所有线性系数的平均值。

在对仪表特征系数计算方法的研究中发现：当实验条件完全相同时，一台准确度为0.5级的仪表在不同时间段实验观察到的不同流速下的线性系数如表1所示。可见，在仪表的量程范围内，线性系数最大相对变化率(所有线性系数中最大值和最小值的差值与最大值和最小值均值的比)约为0.55％；在同一流速点仪表线性系数最大相对变化率(同一流速点对应的最大线性系数和最小线性系数的差值与最大线性系数和最小线性系数均值的比)约为0.38％；线性系数的变化趋势基本是线性的，即线性系数向一个方向增大或减小；随着流速的减小，线性系数的最大相对变化率在增大。

表1 在不同实验时间段，不同流速下标准流速与幅值信号平均值的比值

针对这样的标定实验数据，量程中点比例法仅利用量程范围内一个流速点的线性系数信息，可能会导致小流速点的示值误差超出准确度规定的范围。绝对误差法计算仪表特征系数时平等地处理每个流速点的绝对误差，所以，其计算出的仪表特征系数被设置进仪表会使示值误差随着流速的减小而逐渐增大，无法把小流速点的示值误差控制在较小的值，影响仪表的测量准确度。示值误差法充分考虑到了小流速点的示值误差，但是，没有考虑到不同时间段内仪表线性系数的微小波动情况，所以，在再次检定时，可能会出现示值误差超出准确度规定范围的问题。线性系数求平均法考虑了仪表量程范围内多个流速点的信息，所以，当仪表线性系数正常波动时，该方法所计算出的仪表特征系数仍能保证仪表的测量准确度。但是，当大流速点和小流速点的线性系数相差较大时，即仪表存在非线性特性时，线性系数求平均法计算出的仪表特征系数会使仪表在大流速时示值误差也较大。考虑到相同的时间内，流速越大，累积误差越大，所以，有必要把大流速点的示值误差也控制在较小值。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法，以充分考虑到仪表特性随时间的微小变化以及仪表特性的非线性问题，把各个流速点的示值误差都控制在较小的范围内，进而保证准确度。本发明的具体技术方案是：(1)在电磁流量计的量程范围内合理地选择6个或者5个流速点。所谓合理就是在量程范围内选取流速点时，靠近流速下限各流速点之间的间隔小，而靠近流速上限各流速点之间的间隔大。(2)对电磁流量计进行标定，计算出电磁流量计在量程范围内各个流速点的线性系数。(3)通过观察，找到线性系数中最大值与最小值的平均值附近所对应的流速，并以此流速为分界点，把电磁流量计的测量区间分为大流速区间和小流速区间。(4)根据大流速区间的线性系数计算出大流速区间的仪表特征系数，根据小流速区间的线性系数计算出小流速区间的仪表特征系数。大流速区间的仪表特征系数可以用大流速区间的所有流速点的线性系数的平均值再与最大流速点的线性系数求平均得到；小流速区间的仪表特征系数可以用小流速区间的所有流速点的线性系数求平均值再与最小流速点的线性系数求平均值得到。可见，采用该方法计算出的仪表特征系数由两个线性系数组成。(5)把计算出的两个仪表特征系数分别设置进仪表。

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用两个不相等的线性系数作为仪表特征系数，使大流速点的示值误差较小，减小在大流速状态下的累积误差；同时，也使小流速点的示值误差较小，针对小流速点线性系数波动较大的问题，可以为小流速点提供更大的容错空间，避免校验时出现测量准确度不达标的问题。所谓校验是用户对仪表测量性能进行检查的过程。

附图说明

图1是本发明针对一台准确度为0.5级的DN40的电磁流量计、分别用上述四种不同的方法计算出仪表特征系数、并把计算出的仪表特征系数设置进仪表中、对仪表进行校验的结果。

图2是本发明得出电磁流量计线性系数所使用的标定装置图，同时，也是校验电磁流量计准确度的装置示意图。在图2中：1是水泵，2是稳压罐，3是球形阀，4是被检表，5是标准表，6是球型阀，7是换向器，8是大标定筒，9是小标定筒，10是大标定桶的电磁阀，11是小标定桶的电磁阀，12是水箱，13是计时控制单元。

图3是本发明采用分段线性法计算电磁流量计仪表特征系数的方法流程图。

具体实施方式

本发明选取一台准确度为0.5级的DN40电磁流量计，对上述四种不同的仪表特征计算方法进行依次验证。(1)清掉仪表中已有的仪表特征系数，依据量程中点比例法标定，得出仪表特征系数，设置进仪表，并对仪表进行校验。(2)清掉仪表中采用量程中点比例法计算出的仪表特征系数，依据绝对误差法标定得出仪表特征系数，设置进仪表，并对仪表进行校验。(3)清掉仪表中采用绝对误差法计算出的仪表特征系数，依据示值误差法标定得出仪表特征系数，设置进仪表，并对仪表进行校验。(4)清掉仪表中采用示值误差法计算出的仪表特征系数，依据线性系数求平均法标定得出仪表特征系数，设置进仪表，并对仪表进行校验。对上述四种方法校验之后发现：仪表采用量程中点比例法和绝对误差法计算的仪表特征系数的校验结果无法保证0.5级的准确度等级；而仪表采用示值误差法和线性系数求平均法计算出的仪表特征系数的校验结果是满足0.5级的。

为了进一步观察，在保证实验条件基本不变的情况下，间隔数日，再次把采用示值误差法计算的仪表特征系数和线性系数求平均法计算出的仪表特征系数依次设置进仪表进行校验。对DN40的电磁流量计进行校验，选取了量程范围内的7个流速点，分别为0.3m/s，0.5m/s，1m/s，2m/s，3m/s，4m/s和6m/s，每个流速点校验三次，并得到每个流速点的示值误差的平均值，画在同一张图中，如图2所示。其中，图1(a)是仪表采用量程中点比例法计算出仪表特征系数校验的结果，在量程下限的最大示值误差已经超过的0.5％。图1(b)是仪表采用绝对误差法计算出仪表特征系数校验的结果，在量程下限的最大示值误差也超过了0.5％。图1(c)中示值误差1曲线和示值误差2曲线分别是采用示值误差法计算出仪表特征系数的仪表的第一次校验结果和再次校验结果，在第一次校验时，测量准确度很高，且示值误差最大值不到0.2％。但是，在不同的时间再次校验时，发现小流速点的示值误差已经接近0.6％，无法满足0.5级仪表的准确度要求。图1(d)是仪表采用线性系数求平均法计算出仪表特征系数校验的结果，仪表在量程范围内和不同的检定时间段都能满足准确度要求。但是，与其它的计算仪表特征系数的方法相比，仪表在大流速点的示值误差要大很多，即当流速较大时将产生很大的误差。例如，对于DN40的电磁流量计，6m/s的流速瞬时流量约为27.2m³/h，当测量误差为0.3％时，则每小时累积流量总体积误差为0.084m³，一天的累积总体积误差为2m³。当仪表口径变大时，总量误差将更大。

图2是本发明得出电磁流量计线性系数所使用的标定装置图，同时，也是校验电磁流量计测量准确度的装置示意图，主要由水泵1、稳压管2、球型阀3和6、被测表4、标准表5、换向器7、大标定桶8、小标定桶9、大标定桶的电磁阀10、小标定桶的电磁阀11、水箱12和计时控制单元13组成。其中，稳压罐2是为了保证流过被测表4的流速保持稳定，球型阀6用来调整流速大小；标准表5用于读取当前流速值；换向器7决定是用大标定桶累积流过被测表的体积还是用小标定桶累积流过被检表的体积；大标定桶8的容积大，在流速较大时使用，可以读出体积值；小标定桶9的容积小，在流速较小时使用，可以读出体积值；电磁阀10配合标定桶8使用，关闭时，使标定桶8累积流过被检表的液体体积，打开时，排空标定桶8中的液体；同理，电磁阀11配合标定桶9使用；计时控制单元13在控制换向器的同时记录标定桶累积液体流量所使用的时间。

利用图2所示的装置对被检表4进行标定，并得出被检表在选取的各个流速点的线性系数。得出仪表线性系数的流程为：当装置启动后，根据标准表5，调节球型阀6，选择一个流速进行标定。根据流速大小选择标定桶8或9计量流过被检表4的液体总体积，并由计时控制单元13执行。同步计时控制单元13和被检表4，保证在标定过程中，流过被检表4的液体全部被标定桶计量。根据标定时间、被检表的口径、标定桶体积读数和被测表计算的幅值信号的总和，分别计算出标准流速与该流速下的幅值信号的平均值。标准流速除以该流速下的幅值信号的平均值就得到线性系数。

图3是本发明采用分段线性法计算电磁流量计仪表特征系数的方法流程图。(1)选择6个流速点，分别为q_min，1.5q_min，2.5q_min，3q_min，6q_min和10q_min，或选择5个流速点，分别为q_min，1.5q_min，3q_min，6q_min和10q_min，其中，q_min为仪表所能测量的流速下限。由于随着流速的减小，线性系数的最大相对变化率在增大，因此，在靠近小流速点的范围内，流速点选得相对密些。(2)根据选取的流速点，利用图2所示的标定装置进行标定，并得出各个流速点的线性系数。(3)观察仪表线性系数的变化趋势，找出线性系数最靠近仪表线性系数最大值和最小值平均值的流速点，并以此流速点作为分界点，把整个流速范围分成大流速区间和小流速区间。(4)分别计算大流速区间的仪表特征系数和小流速区间的仪表特征系数。对大流速区间的所有流速点的线性系数求平均，并利用得到的平均值与最大流速点的线性系数再求平均，作为大流速区间的仪表特征系数；对小流速区间的所有流速点的线性系数求平均，并利用得到的平均值与最小流速点的线性系数再求平均，作为小流速区间的仪表特征系数。例如，当选取6个流速点时，设流速从大到小选取的流速点对应的线性系数分别为K₁，K₂，K₃，K₄，K₅和K₆，其中，大流速区间的线性系数分别为K₁，K₂和K₃，小流速区间对应的线性系数分别为K₄，K₅和K₆，则大流速区间的仪表特征线性系数为小流速区间的线性系数当选取5个流速点时，设流速从大到小选取的流速点对应的线性系数分别为K₁，K₂，K₃，K₄和K₅，其中大流速区间的线性系数分别为K₁，K₂和K₃，小流速区间对应的线性系数分别为K₄和K₅，则大流速区间的仪表特征线性系数为小流速区间的线性系数

采用本发明计算出的仪表特征系数的DN40的电磁流量计在图2所示的装置上进行校验，校验结果如表2所示。

表2 DN40电磁流量计水流量校验结果

为了验证小流速点的测量准确度，间隔数日后把被检表旋转90°再夹装在管道上，不改变仪表特征系数，再次校验，校验结果如表3所示。

表3 DN40电磁流量计水流量校验结果

在某流量仪表厂的检定站，采用本发明方法计算出仪表特征系数，并对DN300电磁流量计进行水流量校验，按厂家要求，选取三个流速点进行检定，分别为满量程的10％、60％和100％，校验结果如表4所示。

表4 DN300电磁流量计水流量校验结果

改变被检表的夹装位置，再次校验，校验结果如表5所示。

表5 DN300电磁流量计改变加装位置后的水流量校验结果

可见，采用本发明计算出的仪表特征系数，对重新夹装的DN40和DN300电磁流量计进行校验，测量准确度均为0.25级，有效地保证了电磁流量计的测量准确度。

Claims

1.一种基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法，其特征在于：首先，在电磁流量计的量程范围内合理地选择6个或者5个流速点，对电磁流量计进行标定，计算出电磁流量计在量程范围内各个流速点的线性系数；其次，通过观察，找到线性系数中最大值与最小值的平均值附近所对应的流速，并以此流速为分界点，把电磁流量计的测量区间分为大流速区间和小流速区间；最后，根据大流速区间的线性系数计算出大流速区间的仪表特征系数，根据小流速区间的线性系数计算出小流速区间的仪表特征系数。

2.如权利1所述的基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法，其特征在于：仪表特征系数有两个线性系数组成，大流速区间的仪表特征系数和小流速区间的仪表特征系数不同。

3.如权利要求1所述的基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法，其特征在于：在量程范围内选取流速点时，靠近流速下限各流速点之间的间隔小，而靠近流速上限各流速点之间的间隔大。

4.如权利要求1所述的基于分段线性的电磁流量计仪表特征系数计算方法，其特征在于：大流速区间的仪表特征系数可以用大流速区间的所有流速点的线性系数的平均值再与最大流速点的线性系数求平均得到；小流速区间的仪表特征系数可以用小流速区间的所有流速点的线性系数求平均值再与最小流速点的线性系数求平均值得到。