当前，气体流量的准确计量越来越受到重视。检定气体流量计的标准装置种类多样，使用较普遍的有PVTt法、标准体积管法、钟罩法、音速喷嘴法等。其中，PVTt法和标准体积管法通常仅在流量仪表研究机构和计量部门设置，用来校验其他标准流量计；钟罩法由于体积有限，主要适用于小流量、低差压和小管径的气体仪表检定；音速喷嘴法结构复杂[1]。本文介绍一种基于标准涡街流量传感器组合比较法的气体流量自动检定装置， 由于其结构简单、成本低，很多中小流量仪表生产企业都可采用。作为贸易结算的计量仪表，需要定期复检，大量仪表的复检费用也是很大一笔开支，因此，热力公司、天然气公司等大宗气体流量计用户都可以依本文所介绍的方法，建造自己的流量计检定装置。

    1 系统整体设计

    在该检定装置中，计算机通过串行口与变频器进行通信，控制鼓风机产生相应的气体流量，依次经过串联在一起的标准涡街流量传感器组合、被校表，以及各自的压力传感器和温度传感器，经出风口排空。管道的安装应符合流量仪表对前后直管段的要求。传感器把流量、温度、压力等必需的校验信号分别经数字量数据采集卡和模拟量数据采集卡送人计算机中，按照流量仪表的检定规程，进行相应的数据处理，并控制出风口的阀门开度和鼓风机的鼓风量，从而对不同流量点进行校验，实现气体流量仪表的自动检定。完整的系统框图见图1。

    2 硬件设计

    2.1 标准表选择

    涡街流量计具有结构简单， 内部无可动部件，使用寿命长，量程比大，重复性好，压损小，耐高温，耐腐蚀等优点，在蒸汽、天然气及其他气体的流量计量中广泛使用。目前，我国的气体涡街传感器的标准度一般在0.5级~1级的水平上，从准确度的水平上看，无法作为0.5级标准传感器使用，但是这类仪表的范围度很宽，一般都在10:1-15:1左右，而且重复性很好，均在0.2%以内，甚至于更高， 如采用压缩范围度在定点标定是提高准确度的有效方法。中国计量科学研究院苏彦勋研究员的大量试验研究工作的结果表明，若范围度压缩到2:1或3:1以内，在定点标定均能满足要求，因此使用该传感器标准建立气体流量装置是可行的。该装置由7台口径为DN=40~150mm的标准传感器并联组合与被检测的传感器（DN=50~250mm）比较。装置管路按对角线方向平行排列，既节省原材料，降低了造价，又恰好满足各种口径传感器前直段的要求（根据国家标准ZBN12005- 1989或规程JJG643-1994）—标准传感器前直管段长大于50DN，被检测传感器前直管段长大于20DN，使阻力损失降到最小值。用原流量标准检测装置定点检定标准表，其基本误差均不超过±0.2%，符合标准表法装置要求。为提高装置精度，可以对标准表的数据进行误差补偿。装重置的基本结构如图2所示。

    2.2 数据采集卡

    目前，市场上的数据采集卡种类繁多，根据本装置的要求，选购时应注意：

    ① 安全要求。为实现与被测对象和现场环境的电气隔离，具有较强的抗干扰能力和自我保护能力，应选择带有光电隔离功能的数据采集卡。这样，可以确保由于意外接入高电压信号时，不会损坏数据采集卡和计算机。
    ② 信号类型。检定装置中，计算机要处理模拟量和数字量二类信号，因此必须考虑数据采集卡所能接受的信号类型，且要注意输入信号通道数量。
    ③ 计数功能。由于检定软件主要是对标准表、被校表的脉冲信号进行计数，因此必须选用带有硬件计数功能的数据采集卡，即该卡带有8254可编程计数/定时器芯片，可以大大方便相应的软件设计。
    ④ A/D，D/A的精度。根据对模拟量信号的不同要求，应选用相应位数的A/D，D/A转换精度的采集卡，一般要求12位。
    ⑤ 总线插槽。根据计算机内总线插槽的类型，选用PCI类型卡还是ESA类型卡。

    另外，还应考虑价格因素。不同公司生产的数据采集卡，价格相差悬殊，在满足上面要求的前提下，可以选择价格适中的采集卡。

    2.3 温度、压力传感器

    气体的体积与温度、压力等参数有密切的关系，对于标准表和被校表测得的气体流量，必须进行相应的温度、压力补偿，因此本检定装置中，在标准表和被校表的前后，分别安装温度传感器和压力传感器。考虑到要用计算机进行数据采集和处理，应选用可以将温度、压力信号转换为电信号的传感器。在此选用转换为4~20mA的传感器，经250Ω标准电阻器转换为1~5V后，输入模拟量数据采集卡，被计算机接收和处理。

    2.4 其他硬件设备

    鼓风机应根据所需的最大气体流量选择合适的型号。变频器应根据电压、电流等参数选择。阀门控制器和调节阀按照要求选择即可。

    3 软件设计

    3.1 编程软件平台的选择

    由于Visual C++开发工具是非常优秀的面向对象的程序设计语言，具有功能强大，程序开发简单，功能扩展方便等优点，已成为Windows系统平台上非常强大的、极具生命力的应用软件开发工具， 因此本系统的软件也采用该开发工具实现[2]。Windows 98及更高版本的操作系统均可作为其运行平台。

    3.2 标准表数据补偿

    标准表是由更高级别的检定装置检定的，在本装置中作为标准用来检定其他仪表，属于标准传递。标准表的数据越接近真实值，检定出的数据就越准确。因此，对标准表的数据进行补偿是非常重要的一步。

    因为对于每一个流量点来说，多次检定结果均不会完全相同，所以检定标准表时，每个流量点均应检定6次，然后对该数据进行统计分析，取其期望值作为该流量点的检定数据。

    进行数据补偿的方法有多种，常用的是最小二乘法[3]，在此采用神经网络补偿算法。人工神经网络具有自学习、自适应、自联想功能以及良好的容错性和高度并行性等特点， 已广泛应用在很多领域中，应用最广、最成功的是基于误差反向传播学习算法（BP）的前馈网络。

    前向多层神经网络结构如图3所示，网络不仅有输入层结点、输出层结点，而且有隐层结点。当信号输入时，首先传到隐结点，经过作用函数后，再把隐结点的输出信号传播到输出层结点，经过处理后输出结果。学习过程由正向传播和反向传播组成，在正向传播过程中，输入信号从输入层经隐层单元逐层处理并传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态，同一层神经元之间不发生联系。如果在输出层不能得到期望输出，则转入反向传播，将输出信号的误差沿原来的连接通路返回。通过修改各层神经元的权值，使误差信号最小。

    本装置中标准表的数据作为输入输出样本集，分别只有一组，因此输入层和输出层的结点数均为1。利用该样本集首先对BP网络进行训练，也就是对网络的连接权系数进行学习和调整。目标是调整连接权系数以使代价函数E最小。在此采用最速下降法，其关键是计算优化目标函数对寻优参数的一阶导数[4]。

    3.3 串口通信

    针对32位Windows平台的串行通信有多种途径，使用了Visual C++的封装类的概念，设计了功能完备的、对串行通信进行全面管理的Win32Port类，为了能随时响应串行口的输入、输出信息，使用了VC的多线程技术，用不同的线程进行读数据、写数据和接收状态信息[5]。这几个工作线程以基本相同的方式运转，包含在3个节的无限循环中运行。第1个节为变量活动设置请求，其中包括输入、输出和状态通知。所有这些活动都应该很快发生。循环的第2个节包括对多个事件的等待。结果事件可以是响应循环中第一部分设置的请求，也可以是程序主线程的消息。最后，循环的末尾包含了管理那些被检测事件的响应。完成了所有这些操作之后，循环会再次重复执行。

    3.4 程序设计

    软件主要包括：操作界面的设计，各种检定参数的输入，流量的控制，数据的准确采集，数据补偿和计算，检定结果的保存和打印等。程序流程图如图4所示。

    其中数据的准确采集非常重要，根据所选的数据采集卡的说明书，确保连线正确，采用厂家提供的测试软件，测试线路连接及采集卡安装是否完全正确，然后再编制相应的数据采集程序。由于是计量一段时间内的脉冲数，因此时间间隔的精确确定非常重要，数据采集卡的主频一般为lMHz，可以作为时间基准，足以保证计算结果的准确性。

    根据检定规程的要求，对标准表的数据补偿后，再对标准表和被校表的数据进行温度、压力修正，计算出被校表的精度等级、仪表系数等参数。然后根据用户的要求，存贮或者打印数据。

    4 结束语

    本系统经过长时间的运行，表明系统具有投资少、标定精度高、操作简便、用户界面友好等优点，系统的各项技术指标均达到设计要求。多家流量仪表生产厂家依照所述方法设计标准表法检定装置，使用效果良好，评价较高。

    参考文献

    [1] 华陈权，张朝晖，郑金吾，等.气体流量计自动检定装置[J].工业仪表与自动装置，2002（3）：58-60
    [2] Kruglinski David J.Sat Wingo George Shepherd.Visual C++6.0 技术内幕[M].北京：北京希望电子出版社，2002.
    [3] 张法全，沈宪章，李建生.标准表法流量标准装置的设计[J].自动化仪表，2003（4）：27-30
    [4] 阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学出版社，2001
    [5] Mark Nelson.串行通信开发指南[M].北京：中国水利水电出版社，2001