MF1型流量显示仪的一种系统校准方法

崔艳文

摘  要：通过对MF1型流量显示仪工作原理及使用中测量误差产生原因的分析，提出一种便于操作的系统校准方法。调整显示仪闸门时间，使其与流量计仪表系数相匹配来修正测量误差。同时校正显示仪模拟输出信号，实现流量计、显示仪和计算机（或其他测量设备）的整体系统校准。最后通过试验验证该校准方法的可行性及显示仪系统校准的必要性。

关键词：流量显示仪  系统校准  仪表系数  闸门时间  模拟输出

中图分类号：TH814                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）03（b）-0066-04

Absrtact： Based on the analysis of the working principle of MF1 type flow display instrument and  the cause of measurement error in use， a convenient system calibration method is put forward. Adjust the gate-time of the display device so that it matches the meter coefficient of the Flowmeter to correct the measurement error. At the same time， the analog output signal of the display instrument is corrected， and the whole system calibration of the Flowmeter， the display instrument and the computer （or other measuring equipment） is realized. Finally， the feasibility of calibration method and the necessity of system calibration of display instrument are verified by experiments.

Key Words： Flow display instrument; System calibration; Instrument coefficient; Gate-time; Analog output

MF1型流量顯示仪（以下简称显示仪）是德国威仕公司（VSE）生产的一种脉冲输入型流量显示仪表，与该公司VS型流量传感器（以下简称流量计）配套使用，作为流量测试系统的主体。一般在实际工作中，显示仪和流量计是分开单独校准，使用时按量程匹配的原则直接连接进行测量。由于没考虑到流量计性能变化的影响，这样的测量结果显然是不准确的，存在测量误差。配套使用的流量测试系统应进行配套校准才能保证测量的准确度。但是，配套校准的方法受条件限制，不易实现。那么怎样才能解决由于显示仪和流量计分开校准而在实际应用中造成的测量误差问题，达到配套校准的效果。该文提出一种便于操作、效率高，在实验室即可完成的系统校准方法。

1  显示仪的工作原理

MF1型流量显示仪原理框图如图1所示。显示仪采集与之配套流量计输出的两路相位差90°脉冲信号，将其转换为4倍脉冲频率。在闸门信号的取样时间内脉冲计数器进行计数，将取样时间内计入的脉冲数转换成瞬时流量并显示。显示仪同时输出与流量对应的模拟电压或电流信号和流量方向识别信号。

2  测量误差产生原因分析

由显示仪工作原理知，闸门时间决定流量示值。显示仪闸门时间根据流量量程及小数位数已在出厂时设置好，并显示于仪表侧面。以40L量程的显示仪为例，仪表参数见图2。

图2除标明闸门时间还包括显示仪量程、配套流量计量程、流量计输出频率范围，以及模拟输出信号类型和范围，这些参数是相互关联、对应的。将图2参数应用到流量测试系统中，信号的传输与参数对应关系见图3。

以图3数据为例，正常情况下，流量测试系统中各参数间满足图3的要求。那么流量计、显示仪、计算机三者之间的流量示值一致。但在实际应用中，流量计因长期使用出现磨损、腐蚀、老化等原因，造成流量计性能变化，仪表系数K（通过流量计的单位体积流量所对应的信号脉冲数，单位：1/L）发生改变。根据流量方程：Q=f/K，流量Q不变，系数K改变，频率f也必然改变。但是显示仪是出厂时设置的闸门时间T（0.6s）、流量Q（40L）和频率f（1666.7Hz）的这种确定对应关系。所以，性能改变后的流量计仪表系数K与显示仪闸门时间系数T不匹配，出现流量显示误差。同时模拟输出信号偏离标称值，导致计算机采集的信号产生误差。

3  系统校准修正测量误差

3.1 校准方法

由以上分析可知，显示仪与流量计示值不一致的原因是显示仪闸门时间系数和流量计仪表系数不匹配所致。那么将两者调成匹配，就可解决测量误差问题。流量计的仪表系数K是根据测得的频率与对应流量值计算的数据，VS系列流量计无调节功能，只能调节显示仪闸门时间系数，使两者系数匹配。根据流量计最近一次校验数据确定显示仪闸门时间系数并调整。闸门时间系数出厂时已根据流量量程及小数显示位数设置好，系统校准时只需根据计算结果进行微调。然后用标准源模拟流量计输出信号，校正显示仪模拟输出电压或电流信号，即可修正测量误差，确保流量测量系统的准确性。此方法既实现了配套系统校准，又简单、便于操作。

3.2 闸门时间的计算方法与调整

由图1的原理图可知，显示仪采集4倍流量计频率信号，在设定的闸门时间内将计得的脉冲数作为流量显示。因此流量、频率和闸门时间之间的关系可用公式（1）表示。

公式（1）是根据流量计校验数据中某个测量点的流量和频率值计算的闸门时间。由于流量计存在非线性，每个测量点的仪表系数是不同的，显示仪无法对每个测量点进行误差修正。为了兼顾量程内每个测量点，选择用流量计平均仪表系数作为计算闸门时间的最佳方法。但是平均仪表系数值没有对应的流量和频率数据，无法用公式（1）计算闸门时间。

由流量计的流量方程Qz=fz=fz/K，则K=fz=fz/Qz，则公式（1）可变换为：

式中：T为用流量计仪表系数计算的闸门时间，s;

K为流量计仪表系数。

闸门时间的计算结果为a×10-n，因为流量量程和显示位数的关系，闸门时间计算结果需乘以10n-1才是实际所需的闸门时间系数。但是用VS0，01、VS0，1、VS1、VS10型号的流量计仪表系数计算的闸门时间需乘以10n。使用时有个快速判断闸门时间的方法，显示仪铭牌上标有闸门时间的标称值，使小数点移动后的数值接近闸门时间标称值即可。

闸门时间由6位拨码开关组成，每个开关表示的小数位见图4。闸门时间可以调整的范围是0.00001～9.99999s。将计算的闸门时间按图4小数位对齐依次拨码置数。

3.3 模拟输出信号校准方法

显示仪的模拟输出信号连接计算机或其他测量设备，对流量信号进行采集、进一步处理或控制。计算机是根据模拟输出信号的标称值与流量的对应关系进行标定的，所以模拟输出电压或电流值必须准确。显示仪闸门时间调整后，流量与频率的对应关系改变，模拟输出电压或电流也随之改变，需要重新将其校准为标称值，否则计算机会出现测量误差。

流量计的输出信号为两路相位差90°的脉冲信号。选择符合要求的标准源模拟流量计输出信号。要求脉冲幅值5V左右，频率范围：0～2000Hz，频率准确度优于1×10-5。

以信号发生器模拟流量计输出脉冲信号，接线方法见图5。信号发生器的两路输出信号分别连接显示仪的K1和K2输入端，顯示仪模拟输出端连接数字多用表进行电压或电流测量。在显示仪无信号输入时，调整图4中“offset”电位器，使数字多用表测量值为零。然后输入频率使显示仪显示满量程流量值，调整图4中“amplification”电位器，使数字多用表测量值为满量程流量对应的标称电压或电流值。

4  实验验证

在流量计校验数据中任意选择一些测量点，用公式（1）或公式（2）计算配套显示仪闸门时间系数并调整。输入测量点频率，显示仪显示流量值与测量点流量标准值完全吻合。由此可以判定闸门时间的计算方法是合理、正确的，这种便于操作的系统校准方法是可行的，满足系统校准的要求。

以某40L流量测量系统为例，显示仪单独校准和系统校准后在实际应用中的测量结果见表1。

表1数据表明，显示仪经过系统校准后，流量示值与流量实际值基本接近，主要是显示分辨力带来的误差。模拟输出信号经校正后基本接近标称值10V。经过单独校准的显示仪其流量示值与流量实际值偏差较大，达到2%左右的测量误差。模拟输出信号同样偏离标称值约2%。由此可见，显示仪系统校准是非常必要的。

5  结语

流量测试系统的准确度主要取决于流量计的误差和线性。通过调整显示仪闸门时间，可以对流量计性能变化产生的测量误差进行修正，从而提高测量系统的准确度。此系统校准方法是根据MF1型流量显示仪的结构原理和配套流量计的校验数据确定的。因流量显示仪种类很多，其他类型显示仪具体结构原理、连接线路和功能都有许多不同之处，校准方法也不同。虽不能直接应用此校准方法，但是可参照此方法进行相应调整。

需要注意的是，按照流量计的校验数据进行系统校准后的显示仪，必须和该流量计配套使用，不可随意更换显示仪或流量计。如果更换显示仪或流量计，则应该按照该校准方法进行系统校准后才可使用，否则会产生较大的测量误差。

参考文献

[1] 国家质量监督检验检疫总局.JJG 1003-2016，流量积算仪检定规程[S].北京：中国质检出版社，2016.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.JJG 667-2010，液体容积式流量计检定规程[S].北京：中国计量出版社，2010.

[3] 国防科工委科技与质量司.力学计量（下册）第十一篇流量计量[M].北京：原子能出版社，2002.

[4] Operating Instructions Measuring Instrument MF1[Z].

[5] Operating Instructions for flow meters of the product line“VS in Standard Version”[Z].

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科学技术创新杂志社

2019-07-28