摘 要：流量是工业生产过程检测控制中的一个重要参数，目前，用于流量测量的流量计型式多种多样，而脉冲信号输出的流量计的应用越来越广泛，本文就脉冲信号流量计检定/校准中，其仪表系数K的两种实现方法进行分析。

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    流量是工业生产过程检测控制中的一个重要参数，目前，用于流量测量的流量计型式多种多样，而脉冲信号输出的流量计的应用越来越广泛，本文就脉冲信号流量计检定/校准中，其仪表系数K的两种实现方法进行分析。

    一、脉冲信号流量计仪表系数K的定义

    流量计输出为脉冲信号时，该脉冲信号的频率f与流过管道的体积流量q_v成正比，其比例系数即为流量计的仪表系数K，即

      （1）

    在同一时间内，流量计发出的脉冲数N与流过管道的流体体积V成正比，其比例系数也为流量计的仪表系数K，即

      （2）

    在流量计的检定中，通常用流量计仪表系数K的误差来评价流量计的准确度等级。我所研制了主动式体积管油流量标准装置，用来完成各式流量计的检定/校准工作。该装置的测量原理图如图1所示。

图1 油流量标准装置测量原理图

    电机驱动油缸内活塞产生需要的平稳流量，流经被检流量计后回到油箱，流过被检流量计的流体体积q_v用活塞横截面积A乘以活塞移动距离l，l用光栅来测量。被检流量计的脉冲信号通过数据采集卡采集。

    二、脉冲信号流量计仪表系数K的测定原理

    相同时间t内，根据式（2）可得

       （3）

    式中：l———单位时间t内，流体流过的距离；l₁——光栅每个输出脉冲对应的距离；A——流体截面积；N₂——光栅输出脉冲数；N₁——流量计输出脉冲数。

    因为l₁、A是固定值，记，则

        （4）

    K系数的测定转化为同一时间内流量计脉冲数和光栅脉冲数的测定。

    另外，根据式（1）可得

       （5）

    式中：f₁——流量计的输出频率；f₂——光栅脉冲频率。

    因此，K系数的测定又转化为流量计输出频率f₁和光栅脉冲频率f₂的测量。

    三、仪表系数K的两种实现方法

    1.软件实现测量

    根据式（4），如图2所示，定时脉冲上升沿触发流量计脉冲和光栅脉冲开始计数，下降沿触发二者停止计数。该方法实现的系统环境为：带ISA插槽工控机，Windows98系统，VisualC++编程语言，中科院数据采集卡。实现K系数测量时，根据流量计准确度给出预计流量计脉冲数，工控机发出开始测量信号，同时读取流量计脉冲计数器和光栅脉冲计数器的读数，并且定时器清零，然后实时查询流量计脉冲计数器读数，待该计数器值大于或等于预计流量计脉冲数时，停止计数，同时记录光栅脉冲计数器值和定时器值。由实验得到，软件查询执行引起的误差可以忽略不计。由于这种方法是在同一时间内，直接测量流量计和光栅脉冲数，每次测量有一个脉冲的误差，所以，测量准确度和所计脉冲个数有关，如果计1000个脉冲，测量的相对误差为0.1%，记的脉冲个数越多，测量的准确度越高，相对应的测量时间就越长。显然，这种方法不能保证记录t时间内流量计脉冲和光栅脉冲的整数个脉冲。

图2 软件实现测量原理图

    以0.2级脉冲流量计为例，测量结果如表1所示（预计流量计脉冲数5000）。

表1 测量结果

    2.硬件实现双频计时

    根据式（5），流量计频率和光栅频率的测量不要求完全同步，即以牺牲同步获得频率测量的准确性。相对于流量计脉冲和光栅脉冲来说，计时脉冲是一个10MHz高频脉冲，保证测时准确度，用来分别测时T₁和T₂，测量误差为10^-7。计时脉冲1在启/停脉冲上升沿后，流量计脉冲的第一个上升沿触发，计时器脉冲2在启/停脉冲上升沿后，光栅脉冲的第一个上升沿触发，计时脉冲1在启/停脉冲下降沿后，流量计的第一个上升沿停止计时T₁，计时脉冲2在启/停脉冲下降沿后，光栅脉冲的第一个上升沿停止计时T₂。这样保证分别在T₁、T₂时间内，记录的流量计脉冲和光栅脉冲是完整个数，如图3所示。

图3 双频计时原理图1

    这种方法的优点是，当流量计输出频率很小时，可以在大于流量计脉冲周期的时间内，精确测量流量计脉冲频率和光栅脉冲频率。

    自动实现双计时法时，操作者通过计算机设置流量计脉冲数，通过流量计脉冲计数器溢出信号来停止测量。

    原理如图4所示。

图4 双频计时原理图2

    具体实现过程如下：

    （1）设定预计流量计脉冲数N，则N₁=N，流量计脉冲计数器设置减计数，光栅脉冲计数器设置增计数，初始值为1。

    （2）计算机发出启动控制信号，高电平。

    （3）流量计脉冲、光栅脉冲的第一个上升沿，计时脉冲1、计时脉冲2分别开始计时。

    （4）当N₁=0时，流量计脉冲计数器溢出标志输出信号，测量停止，计时脉冲1停止测量。

    （5）光栅脉冲计数器在溢出标志输出之后的下一个上升沿停止计数测量，同时计时器2停止计时。

    由于多个计数器计数，双频计时实现K系数测量时，预计流量计脉冲数不少于3个。以0.2级脉冲流量计为例，测量结果如表2所示（预计流量计脉冲数50）。

表2 测量结果

    四、结论

    JJG1037-2008《涡轮流量计》检定规程中，检定条件项规定：对于脉冲输出的流量计，应保证一次检定中流量计输出的脉冲数的测量结果由分辨率带来的相对不确定度不大于被检流量计最大允许误差绝对值的1/10。软件实现测量时，对于低频信号，要保证测量准确度，测量时间过长、工作效率低；硬件实现双频计时，由于是整脉冲计数，测量准确度和测量脉冲数没太大关系，测量准确度高，优于0.01%，每次测量时间短、工作效率高。