摘要:本文介紹了使用外夾式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表對電磁流量計進(jìn)行在線檢測的方法.分析了使用該方法過程中對測量結(jié)果的影響量，設(shè)計并制作了一種基于磁阻掃描技術(shù)的流量在線測量系統(tǒng),通過實驗及調(diào)試結(jié)果,該系統(tǒng)可大幅度提升大口徑流體測量的測量精度。
1流量在線檢測的意義
電磁流量計在線檢測是近年來流量儀表計量檢測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電磁流量計一般被安裝在自來水輸水、地表水取水、污水排放等管線上，以實現(xiàn)管線流量的實時計量。安裝在這-類管線上的電磁流量計,其口徑從(DN500~DN2000)mm不等。這類流量計不僅體積龐大,安裝處還往往沒有設(shè)置旁通管線。如要將該電磁流量計拆卸并送至實驗室進(jìn)行檢測，就需要關(guān)閉儀表前段閥門。而關(guān)閉閥門就會造成管線停水，嚴(yán)重影響居民生活和企業(yè)生產(chǎn)。例如,安裝一臺公稱直徑為DN500mm的電磁流量計的自來水管線,需要供給一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活用水,如因流量計送檢關(guān)閉管道若干天,造成幾萬名居民無法正常用水,勢必產(chǎn)生較大的社會影響。
除此之外,自來水、污水、地表水輸水管線大都埋入地下,計量儀表一-般安裝在1m見方的設(shè)備井中,設(shè)計時未考慮流量儀表拆卸送檢的需求，拆卸空間嚴(yán)重受限,從而導(dǎo)致此類儀表無法拆卸送檢。因此,實踐中存在較多流量計自安裝后就未再檢定或校準(zhǔn),其計量性能也難以得到保證。在貿(mào)易交接中，雙方在交易量出現(xiàn)較大分歧時,由于沒有可靠的測量數(shù)據(jù)做依據(jù),因此損害了雙方的經(jīng)濟(jì)利益。近幾年，隨著相關(guān)企業(yè)精細(xì)化管理要求的提高,其對大口徑流量計儀表在線檢定、檢測的需求也變得愈發(fā)強(qiáng)烈。
目前,對電磁流量計的在線測量主要有三種方式，即:使用外夾式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表;使用串聯(lián)移動式校準(zhǔn)裝置作為標(biāo)準(zhǔn)表稱重法。其中,使用便攜式時差法超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表時,測量的管徑范圍較大,使用范圍較廣。本文重點研究該方法在現(xiàn)場在線檢測中的影響因素和解決方案。
2外夾式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表對測量的影響量
外夾式超聲波流量計因其攜帶和使用方便,廣泛應(yīng)用于純凈水、污水、油品等其他液體介質(zhì)和天然氣、空氣等氣體介質(zhì)的測量。”外夾式超聲波流量計在實際檢測過程中應(yīng)用了時差法原理,實現(xiàn)對流量的測量。時差法在實際應(yīng)用時，對時差分辨力的要求較高。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,特別是時間測量技術(shù)的不斷更新升級,外夾式超聲波流量計流量的測量誤差越來越小。電磁流量計的誤差一般在3%~5%之間,而外夾式超聲波流量計的最大允許誤差可以達(dá)到1%,甚至更小。因此,采用外夾式超聲波流量計對其進(jìn)行校準(zhǔn)滿足三分之一原則，是切實可行的。
根據(jù)平時工作中使用經(jīng)驗以及對相關(guān)專業(yè)資料的研究,總結(jié)分析得出,選用外夾式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表時,若超聲波流量計安裝現(xiàn)場所需的直管段滿足不同條件下對直管長度的要求,那么對測量的影響量主要有:外夾式超聲波流量計的最大允許誤差外夾式超聲波流量計換能器安裝、管道直徑測量。
2.1外夾式超聲波流量計的最大允許誤差
外夾式超聲波流量計因其安裝簡便、測量方便的特點,已成為最常用的在線檢測設(shè)備。它是將一對換能器外夾在測量管道上,互相發(fā)射接收超聲波.信號,聲波在檢定介質(zhì)中順流、逆流行進(jìn)--段距離，通過兩次行進(jìn)時間的比較,確定被測介質(zhì)的流速。根據(jù)JJG1030-2007《超聲流量計檢定規(guī)程》可知，最大允許誤差分為:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于電磁流量計的在線測量,則需選用最大允許誤差小于等于±1.0%的外夾式超聲波流量計。
2.2外夾式超聲波流量計換能器安裝
2.2.1換能器安裝方式
換能器安裝方式通常有Z法、V法、X法、W法等,應(yīng)根據(jù)使用說明書并結(jié)合現(xiàn)場條件選擇最恰當(dāng)?shù)陌惭b方式,換能器安裝方式示意圖如圖1所示。例如,當(dāng)流體平行于管軸流動時,通�？刹捎肸法;當(dāng)流體流動方向與管軸不平行時,可采用V法或者X法;當(dāng)管道長度有限時，使用X法可獲得較好的精度等。目前，可測的最小管徑為φ25mm,采用V法或W法以擴(kuò)大聲程長度,增加順逆向聲傳播時間。而乙法一般用于φ50mm以上管道。
2.2.2換能器安裝位置
換能器安裝的測量管軸線應(yīng)盡可能與管道軸線一致,并且需保證管內(nèi)充滿液體，兩換能器之間的測量管軸線方向距離L需通過計算確定,并通過鋼直尺在被測管道上測量出測量管軸線方向的距離,將兩換能器安裝到位。同時,需注意耦合劑的用量,確保換能器與測量管道要耦合好。并且保證換能器表面的清潔,若表面污物較多，則會影響正常的測量。大口徑管道測量時一般選擇Z法安裝,安裝時一對換能器管道軸向安裝距離和管道圓周方向安裝角度是否正確,直接關(guān)系到超聲波流量計流量計量正確與否。目前，超聲波流量計換能器在軸向方向安裝誤差給流量測量結(jié)果帶來的誤差已通過大量實驗數(shù)據(jù)得出,如日本富士公司稱,超聲波流量計軸向安裝偏差1mm,會給流量測量結(jié)果帶來0.3%的測量誤差。同時,圓周方向的安裝誤差會影響--對換能器的超聲波接受強(qiáng)度,從而影響流量測量結(jié)果(但現(xiàn)尚無直接數(shù)據(jù)引用)。在超聲波實際測量過程中，被測管線外部涂層、管道銹蝕以及測試地點狹小等問題，,給換能器的正確安裝造成很大的困難。一條DN800mm的輸水管線Z法安裝為例，其換能器安裝標(biāo)準(zhǔn)距離為365mm,而實際安裝過程中,軸線方向安裝偏差甚至達(dá)到10mm(若管道外側(cè)銹蝕嚴(yán)重,安裝誤差甚至更大),根據(jù)經(jīng)驗用公式推算,由安裝誤差引起的流量偏差達(dá)到3.0%,遠(yuǎn)超過超聲波流量計儀表本身最大允許誤差1.0%。
2.3管道直徑測量
2.3.1管道外徑測量
管道直徑可采用現(xiàn)場測量結(jié)合現(xiàn)場資料確認(rèn)的方法,按照J(rèn)JF(蘇)228-2019《電磁流量計在線校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定,可以采用不低于1級鋼卷尺進(jìn)行現(xiàn)場.測量,1級鋼卷尺的最大允許誤差為±0.1mm±10-4L,但現(xiàn)場采用的是鋼卷尺測量管道周長后計算得出管道的直徑,因此,所引入的誤差至少在0.1%~0.2%。對于1m的管徑直徑,引入的誤差可達(dá)到(1~2)mm。對于管道直徑比較小的測量,建議測量時可采用π尺等更精確的測量儀器來進(jìn)行測量。
2.3.2管道內(nèi)徑測量
管道內(nèi)徑的數(shù)值是通過管道外徑測量值減去管徑壁厚獲得。管徑壁厚是采用超聲波測厚儀在換能器5個不同位置進(jìn)行測量后取平均值。超聲波測厚儀是根據(jù)超聲波在已知固體材料中傳播的速度和傳播的時間來測量出試件的厚度。因此管道的材質(zhì)必須正確,同時,測量時應(yīng)保證測量表面的光滑性,當(dāng)被測表面的粗糙度較大時,則會影響耦合效果,從而造成測量數(shù)據(jù)的偏差。
3解決方案
本文介紹一種基于磁阻掃描技術(shù)的流量在線測量系統(tǒng)。通過機(jī)械自動化、傳感器技術(shù),結(jié)合幾何算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理,獲得管道參數(shù)、控制超聲換能器的自動定位安裝,并采用標(biāo)準(zhǔn)表法實現(xiàn)對流量計的在線校準(zhǔn)。
該系統(tǒng)主要由外徑測量單元、測量管軸線運動單元、測量管圓周運動單元和軟件系統(tǒng)組成,如圖2所示。由外徑測量單元結(jié)合超聲波測厚儀的測量數(shù)據(jù),可以確定管道內(nèi)外徑的數(shù)據(jù),通過在智能行走單.元上安裝超聲換能器,使用自主開發(fā)軟件控制超聲換能器自動運行至指定位置,實現(xiàn)超聲換能器自動定位、運行和安裝,以減少由探頭安裝誤差引起的流量測量誤差。其主要應(yīng)用于對大口徑電磁流量計的現(xiàn)場校準(zhǔn),能較大提升在線檢測精度,為流量計的正確計量提供技術(shù)保障。
3.1便攜式時差法超聲波流量計
本項目中的便攜式時差法超聲波流量計可測量流速范圍(0.01~25)m/s,精度等級1.0級。
3.2內(nèi)1外徑測量單元
3.2.1外徑測量
外徑測量采用弓高弦長法,根據(jù)設(shè)計量程的需要,可測量管徑為DN(500~2900)mm。.
外徑測量設(shè)計原理如圖3所示，圖中R為目標(biāo)測量對象,A、B兩點為設(shè)備觸點,A和B的主體支架采用固定支架,其中AB之間的距離為固定值D,Y1為伸縮量尺,Y2為縮進(jìn)距離。
其中測量活動軸采用機(jī)械式活動原理,只要通過測量伸縮量尺Y1縮進(jìn)距離Y2即可得出最終目標(biāo)R的實際數(shù)值。Y1為活動量尺，具有彈性結(jié)構(gòu),可通過容柵位移傳感器實現(xiàn)對Y2的精準(zhǔn)測量,保證精度≥0.lmm以上測量誤差。該部分通過位移傳感器進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)獲取,進(jìn)而通過AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終獲得數(shù)字信號數(shù)據(jù),并傳遞到軟件中顯示。
3.2.2內(nèi)徑數(shù)據(jù)
管道內(nèi)徑的數(shù)值是通過管道外徑測量值減去管徑壁厚獲得。管徑壁厚仍然采用超聲波測厚儀進(jìn)行測量,將所測數(shù)據(jù)輸人軟件中，顯示內(nèi)徑的數(shù)據(jù)值。
3.3測量管軸線運動單元
測量管軸線運動單元主要實現(xiàn)對兩個換能器測量管軸線方向上運動距離的控制和定位,主要由運.動驅(qū)動部分和定位部分組成。驅(qū)動部分使用步進(jìn)電.機(jī)控制精密絲桿,帶動兩個換能器運動,實現(xiàn)測量管軸線方向運動,保證運動精度士1mm;測量管軸線方向運動定位部分采用鋁合金運動滑軌上安裝磁柵，通過傳感器讀取兩個換能器之間的相對距離,確保定位的正確率。
3.4測量管圓周運動單元
測量管圓周運動單元主要是實現(xiàn)對兩個換能器在圓周方向上運動的控制和定位。換能器在圓周方向上的運動是采用機(jī)械手臂來控制。V法、W法的換能器安裝是不需要進(jìn)行圓周運動的。Z法的換能器安裝,若圓周_上的圓心角是180°,則在機(jī)械手臂上安裝角度傳感器,確保兩換能器各運動的角度為90°,即到達(dá)指定的位置。
3.5軟件系統(tǒng)
軟件系統(tǒng)可以顯示外徑測量值.內(nèi)徑測量值、X軸運動坐標(biāo)、圓周運動角度、流量測量值。同時,通過軟件的調(diào)節(jié)可以控制換能器在X軸方向的運動和圓周方向的運動。
4結(jié)束語
該系統(tǒng)設(shè)計了一組精度高的機(jī)械化運動結(jié)構(gòu)和一套高效的綜合軟件系統(tǒng),實現(xiàn)了流量的自動化測量。利用磁阻感應(yīng)技術(shù)對管線進(jìn)行立體式定位分析,建立三維模型。通過三維建模實現(xiàn)了雙換能器.自動可視化立體三維定位,對超聲波流量計換能器進(jìn)行正確定位傳送,流量計進(jìn)行測量后,傳輸各類數(shù)據(jù)至綜合軟件系統(tǒng),并自動測得流量數(shù)值。該系統(tǒng)改變了以往測量中只能人為手工測算和安裝的現(xiàn)狀,不再只依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗,而是通過數(shù)字化的自動控制系統(tǒng)操控，完成了流量計的定位、安裝、檢測、計算,降低了對技術(shù)人員操作經(jīng)驗和能力的要求,提升了檢測效率。作為一種自動在線測量的計量器具,其發(fā)揮的效果將是帶動整個相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,為流體計量在線測量的應(yīng)用發(fā)展提供更加標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)的應(yīng)用參考,既為社會帶來較好的效益,又極大地推動了整個社會相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。
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