液体流量标准装置脉冲采样误差分析

流量计检定 (或校准) 时, 脉冲采样误差的大小直接影响流量计的准确度等级。根据装置脉冲采样的原理, 可以发现脉冲采样误差主要来自于换向器的换向时间误差和计数器的计数误差。

换向器利用机械部件改变介质流动方向, 同时提供反馈信号, 让采集系统对流量计检定准确计时。该装置采用开式换向器, 通过行程差法检定, 其A类标准不确定度:0.0069%、0.0023%, B类标准不确定度0.0036%, 其合成标准不确定度为0.0081%, 可见换向器换向时间对采样误差影响很小。

计时器的核心部件是石英晶体振荡器, 而石英晶体振荡器具有很高的稳定性, 经检定该装置计数器晶振的8h稳定度能达到0.0001%, A类标准不确定度为0.0010%, B类标准不确定度为0.0001%, 其合成标准不确定度为0.0010%, 可见计数器晶振对采样误差影响很小。

如图1所示:脉冲信号一般为矩形波。计数器计数并不是从接收到换向器发出的光电信号后立刻计数, 而是从接到换向器换向的信号后, 准备开始计数, 当遇到脉冲信号的上升沿才触发计数。所以同一个脉冲信号, 在不同时刻开始计数, 在相同时间内的脉冲计数值可能一样, 也可能相差1个。如图1所示, 同一个脉冲信号, 在相同的时间T内, 分别从t1、t2、t3、t4、t5、t6时刻开始计数, t1时刻和t2时刻开始的计数值一样, t4时刻比t3时刻开始的计数值少1个, t6时刻比t5时刻开始计数值多1个。可见时间T内, 计数器计数相对误差绝对值可能为0, 也可能为ΔN/N=±1/N。计数器计数相对误差绝对值最大为1/N, 可见采样时间越长, 采样脉冲数越多, 此时流过流量计的累计流量越大, 计数相对误差的绝对值越小。

图1 计数±1误差分析图

采用具有频率输出功能的热工仪表校验仪DN081作为标准频率源, 代替流量计输出标准频率脉冲信号, 因为流量计的频率输出信号与瞬时流量值是对应的, 考虑到瞬时流量有大有小, 在此设定DN081输出100Hz、500Hz两种标准频率信号, 并分别设定采样时间为10s、100s, 记录装置采样的累计脉冲数, 得出数据如表1所示。

通过分析数据发现:不管是输出信号为100Hz还是500Hz的频率脉冲信号, 该装置脉冲采样误差主要来自于计数器计数的±1误差;通过脉冲采样方式检定流量计时, 采样脉冲数越多, 检定结果越准确。这就要求检定时间不能太短, 检定时间太短, 采样脉冲数过少, 容易造成过大的相对误差;在相同的检定时间内, 大流量点的检定误差比小流量点要小, 这就要求在不表1脉冲采样误差表同的流量点检定时, 要根据称量选择合适的检定时间, 一般小流量点要选择较多的检定时间, 大流量点选择较少的检定时间。

由于脉冲信号传输的优点, 脉冲输出已广泛应用于流量计中。通过标准装置采集流量计的脉冲输出信号检定流量计的方法, 也已得到广泛应用。本文以一套国内常用的静态质量法液体流量标准装置为例, 详细分析了脉冲采样误差的来源, 并通过实验进行了分析验证。脉冲采样误差是流量标准装置系统误差的重要组成部分, 脉冲采样误差的大小直接影响了流量计检定的准确度等级, 因此对于流量标准装置脉冲采样误差的分析具有重要意义。