電磁流量計系統測試與校準實驗
摘要：本章 先對系統模塊進行測試，然后介紹了模擬信號發生器、轉換器校準實驗方法， 后給出實際流體標定實驗的數據和結論。
5．1系統性能測試
本系統的實現大量采用 儀表設計技術，本節對開關式恒流源勵磁模塊、通用輸入開關式穩壓電源和空管檢測功能的性能做了測試。
電磁流量計測量系統
5．1．1開關式恒流源
由于電磁流量傳感器線圈的內阻會隨著使用時間和溫度而產生漂移。當線圈阻值在定范圍內變化時，如果恒流源無法保證有很的精度，那么線圈內阻變化就會造成傳感器磁場強度的變化，磁場強度的變化會使測量出現誤差。因而恒流源能在多大范圍線圈阻值內保持相應的精度成了電磁流量計個重要的性能指標。同時，大范圍的適應電阻變化，可以使得轉換器配用不同口徑的傳感器時無需對電路進行調整。所以開關式恒流源穩定性的測試有著重要的意義。開關式恒流源的實驗條件為：在常溫下，輸入電源為220伏交流，使用水泥電阻來代替線圈內阻。實驗數據表格見表5—1。表5—1恒流源實驗數據線圈內阻(o) 輸出恒流(mA) O 244 17 244 68 244 75 242 開關式恒流源設計的理論值為線圈內阻從O～70Q恒流源均可以滿足要求。實驗結果表明線圈從0～68歐姆逐漸增大，勵磁恒流源的輸出直保持恒定，電流測量儀表觀察不到電流的變化，恒流源達到了設計目標。
5．1．2 輸入式開關穩壓電源
輸入式開關穩壓電源的實驗目的是測試系統抑制電源電壓波動的能力。實驗條件為：在常溫下，使用水泥電阻來代替線圈內阻。實驗裝置圖見圖5l， 實驗數據表格見表5～2。自耦變壓水泥電阻圖5—1開關電源實驗原理圖表5—2開關電源實驗數據l交流輸入(v) 線圈內阻(Q) 輸出恒流(mA) 50 0 244 50 68 244 248 O 244 248 68 2“ 輸入式開關穩壓電源的理論值是輸入交流85伏～265伏均能正常工作。由于實驗條件所限，能提供交流電源的上限就是248伏，所以本實驗的結論是： 當輸入從交流50伏～248伏變化，線圈內阻從O～68歐姆逐漸增大，勵磁恒流源的輸出直保持恒定，在可分辨的精度內未觀察到變化，開關電源達到了設計目標。
5．1．3空管檢測功能
當電磁流量計的測量管中的液體未充滿管道時，流量計檢測的數據不能真實地反映液體的流量。若液面降低到電以下時，兩電相當于浮空，此時轉換器反而會收到很大的干擾信號，會以為有很大的流量。為此，在電磁流量計安裝、使用過程中通常要求電磁流量計的管道必須充滿被測液體。但在實際應用中，很難保汪管道始終充滿液體。因此空管檢測功能對電磁流量轉換器來說是非常必要的。本系統空管檢測的原理是基于檢測電之間的電阻，測量出來的是個無量綱與電阻阻值成正比的比值，電之間的電阻越大則測量出來這個比值就越大。當這個值過定的閾值，轉換器就認為傳感器處于空管狀態，此時應關閉測量， 停止累計流量。若此時報警功能打開，還應輸出報警信號。但實際使用時，由于傳感器口徑、測量液體和傳感器與轉換器之間的距離不同，難以預先設定個統的閾值，只能通過實驗來確定這個閩值。使用方法是先做實驗，分別測出空管和滿管時這個正比于電阻的比值，然后取空管和滿管比值的平均值作為閩值設入轉換器。接著使傳感器空管，看是否報警，再使傳感器滿管，看報警是否鰓除， 反復驗證幾次。實驗證明本系統空管檢測功能正常，達到設計目標。
5．2模擬信號發生器
5．2．1模擬信號發生器的重要性
對于轉換器的基本性能測試，需要使用信號模擬器。主要是因為轉換器與傳感器配套使用的互換性對于現場應用、維護修理和生產過程的分別管理有著十分重要的意義。具有互換性對于用戶可以減少備件的儲備、節約資；對于廠家可以形成標準化生產、提效率、保證質量、降低成本。由于傳感器的勵磁器件和制造裝配很難達到完全致，磁場的有限長度與渦電流的響，測量管的有限長度，測量管的加工均存在誤差，這些因素造成實際生產的傳感器測量值分散性問題難以解決。而應用模擬信號發生器使所有轉換器的信號放大倍數樣后，只要在轉換器內輸入傳感器標定系數，則所有的傳感器對于轉換器而言就是致的。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模擬信號發生器的結構
典型的模擬電磁流量信號發生器的工作原理圖見圖5—2。圖5—2標準信號源原理示意圖圖中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％。串聯接入轉換器勵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磁電流大小，與勵磁電流的波形、相位和頻率致，可以代表流量信號。標準信號發生器是用精密、標準的純電阻將電磁流量計轉換器產生的低頻矩形波勵磁電流變換為沖電壓，然后經過精度、穩定電阻分壓，獲得的低頻矩形波微伏信號作為模擬流量信號，提供給電磁流量轉換器信號輸入端， 用來進行流速設定、線性檢查。標準信號發生器能夠模擬流量計的流向，檢查電磁流量計轉換器對流向的鑒別能力。本系統設計的標準信號發生器分為1l檔， 從0到15m／s，并有正負兩個流向。標準信號發生器實物圖見圖5—3。圖5～3模擬信號發生器實物圖
5．3校準實驗方法介紹
為了確定電磁流量計的流量值或流量測量值的準確度，必須對電磁流量計實施校準。校準也稱為標定或校驗，包括以‘F兩方面：(1)將量值傳遞給儀表， 確定流量標度標記所處的位置(或確定流量標度輸出的信號)；(2)調整儀表的輸出與標準值(參比值)進行比較，以判別儀表準確度，測定其誤差值。
5．3。1智能電磁流量計校準方法分類
電磁流量計的流量校準有直接測量法和間接測量法兩種方法【67“91。直接測量法也稱為實流校準法，是以實際流體流過被校驗儀表，再用別的標準裝置(標準流量計或流量標準計量器具)測出流過流體的流量，與被校儀表的流量值作比較。這種方法有人稱為濕法標定。實流校準法獲得的流量計既可靠又準確，為目前許多流量儀表(如電磁流量計、容積式流量計、渦輪流量計、科里輿利質量流量計)所采用，而且作為建立標準流量的方法。制造廠在電磁流量計出廠前均以實流校準法在流量標準校準裝置(有時簡稱流量標準裝置或流量校準裝置)上完成流量量值傳遞過程。使用單位對定期檢定和檢修后的儀表亦要在流量校準標準裝置上作實流校準。流量校準標準裝置是按照有關標準和檢定規程建立的，并由家授權的專門機構認定，能作流量量值傳遞的裝置，是提供流量量值的校準設備，其量值 終可溯源到質量、時閱和溫度的家計量標準。干法校準是種間接校準法，是以測量電磁流量傳感器的流通面積等結構尺寸和磁通密度B，計算流量值，獲得相應的 度。千法校準是在20世紀70年代用來解決大口徑電磁流量計無法實現實流校準問題的方法之--[5 71。
5．3．2電磁流量計實流校準
孔板流量計在流量標準裝置上校準時與標準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。和標準裝置測得的標準體積v。，以確定儀表示值或其誤差。雖然校準是在指定的流量下進行，由于比較的量是總量， 所以對流量穩定性的要求可以低些。
流量法則要求在預定的穩定流量下進行，儀表在預定的示值流量(q，)。下運行段時間t后，在標準裝置上收集到流過儀表的流體容積V。，求得標準流量(q。)。=vs／t，然后比較(q。)。與(q。)。。這是傳統的儀表實流校驗方法，要求在t時間內流量q。有較的穩定性。流量儀表采用總量法校驗方法后，降低了流量穩定性要求，簡化了流量標準裝囂維持流量穩定性的設篪，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。但是傳統的檢驗方法在研究和計量機構內仍處于重要地位，用來研究開發或評定流量儀表性能。電磁流量計實流校準常用的方法有：(1)容積時間法；(2)質量時聞法； (3)標準流量計比較法。前兩所用流量標準裝胃稱原始標準裝置，后稱傳遞標準裝置。由于前兩種標定方法的設備都比較復雜，投資較大，不是每個單位都有條件設置的。因此作采用比較簡單方便的標準表比較法。
5．3．3標準表比較法
標準表比較法是用精度等的標準流量計與被校驗流量儀表串聯，流體同時流過二，比較二的示值，確定被檢表的誤差，達到校準的目的。此方法費用低，操作簡單，家技術監督局制作了相應的“檢定規程”，頒布有JJG 643 --94《標準表法流量標準裝置檢定規程》。裝置準確度應不低于被檢表準確度的1／2。標準表的前后直管段，～般不小于同類型普通表直管段的長度，被校表的前后直管段，應滿足表說明書要求。標準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。流量調節閥般應安裝在表的下游側，調節性能要穩定。
5．3．4流量儀表精度傳遞的準確度分析
流量單位的值傳遞歷來是按照檢定系統的規定，由不同準確度的計量器具(不同的流量標準裝置或標準流量計)所組成的不連續等進行的，且應滿足相鄰等準確度不相等原則。如果以8表示流量值的復現誤差，i為準確度等序號，則必須滿足6 I+l>6，。目前的所有檢定規程中，作為必備的條件之，都有類似的表述：JJG 198—94裝置的誤差應不過被檢流量計基本誤差限的1／2； JJG 643--94裝置的準確度應不低于被檢表準確度的1／2； JJG 257—94裝置準確度應優于檢流量計基本誤差限的1／2； JJG 897—95裝置準確度應優于檢流量計基本誤差限的1／3； JJG 667—97裝置的誤差般不過流量計基本誤差限的1／3， 不過流量計基本誤差限的1／2； 這意味著檢定0．2到0．5的精度流量儀表(如渦輪流量計、電磁流量計、科里奧利質量流量計等)時，對流量標準裝置提出很要求。個簡單檢定方案隨著需求被提出。這里涉及到個等精度傳遞的概念。外已成功地把等精度傳遞的理論應用于實際傳遞系統，將個流量范圍很小的 流量基準通過系列傳遞鏈將流量單位傳遞給生產中使用的流量儀表[70]。下面介紹下等精度傳遞的概念171】： 根據相鄰等準確度不相等原則，不能用準確度等為6的流量標準裝置對同樣準確度等的被檢流量儀表進行檢定。然后，對于標準表法流量標準裝置， 不管標準表是A類儀表，還是B類儀表，當定點使用時，流量標準裝置的準確度6為6=±[E：+E；+E；+E；]“2 (5—1) 式中E。為檢定標準表用的流量標準裝置的準確度；Er為標準表單次測量的限相對誤差，使用儀表系數和不使用儀表系數時分別取式(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分別為某檢定點上儀表系數的標準偏差(使用儀表系數利) 和流量修正值的標準偏差(不使用儀表系數時)。EI和E2分別表示在標準表不帶配套儀表起檢定時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，如果暫時不考慮E，和E2，且將標準表固定在某檢定點使用時，Er的值就是標準表在該檢定點的重復性誤差。實踐已經證明，某些儀表(如電磁流量計、渦輪流量計和科里奧利質量流量計等)的重復性非常好，甚比B要出個量。由式(5—1) 可以看到，當Er
根據等精度傳遞系統的實驗‘721，可以得出以下結論： 先，用重復性誤差小的流量儀表作為傳遞標準組建標準表法流量標準裝置，采用定點檢定法可以使裝置準確度接近上標準裝置的準確度，所以，上標準裝置的準確度幾乎可以不受損失地傳遞給下標準裝置；其次，用等精度傳遞的方法建立壓大流量范圍的標準表法標準裝置，無論是裝置的綜合性能，還是建立裝置的經濟性都比傳統方法有明顯優勢： 后，在等精度傳遞的基礎上， 流量基準可以是個流量范圍比較小，但準確度很的流量標準裝置。用等精度傳遞的方法，可以建立擴大流量范圍的工作基準，并逐步傳遞到各個大流量檢定站和各種流量儀表。使整個流量量值傳遞鏈經濟實用。
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