摘要:本文介紹了使用外夾式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行在線檢測(cè)的方法.分析了使用該方法過(guò)程中對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響量，設(shè)計(jì)并制作了一種基于磁阻掃描技術(shù)的流量在線測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)及調(diào)試結(jié)果,該系統(tǒng)可大幅度提升大口徑流體測(cè)量的測(cè)量精度。
1流量在線檢測(cè)的意義
電磁流量計(jì)在線檢測(cè)是近年來(lái)流量?jī)x表計(jì)量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電磁流量計(jì)一般被安裝在自來(lái)水輸水、地表水取水、污水排放等管線上，以實(shí)現(xiàn)管線流量的實(shí)時(shí)計(jì)量。安裝在這-類管線上的電磁流量計(jì),其口徑從(DN500~DN2000)mm不等。這類流量計(jì)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(jì)拆卸并送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，就需要關(guān)閉儀表前段閥門。而關(guān)閉閥門就會(huì)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(tái)公稱直徑為DN500mm的電磁流量計(jì)的自來(lái)水管線,需要供給一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活用水,如因流量計(jì)送檢關(guān)閉管道若干天,造成幾萬(wàn)名居民無(wú)法正常用水,勢(shì)必產(chǎn)生較大的社會(huì)影響。
除此之外,自來(lái)水、污水、地表水輸水管線大都埋入地下,計(jì)量?jī)x表一-般安裝在1m見方的設(shè)備井中,設(shè)計(jì)時(shí)未考慮流量?jī)x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(wú)法拆卸送檢。因此,實(shí)踐中存在較多流量計(jì)自安裝后就未再檢定或校準(zhǔn),其計(jì)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(shí),由于沒有可靠的測(cè)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(duì)大口徑流量計(jì)儀表在線檢定、檢測(cè)的需求也變得愈發(fā)強(qiáng)烈。
目前,對(duì)電磁流量計(jì)的在線測(cè)量主要有三種方式，即:使用外夾式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表;使用串聯(lián)移動(dòng)式校準(zhǔn)裝置作為標(biāo)準(zhǔn)表稱重法。其中,使用便攜式時(shí)差法超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表時(shí),測(cè)量的管徑范圍較大,使用范圍較廣。本文重點(diǎn)研究該方法在現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)中的影響因素和解決方案。
2外夾式超聲波流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)測(cè)量的影響量
外夾式超聲波流量計(jì)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(cè)量。”外夾式超聲波流量計(jì)在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用了時(shí)差法原理,實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。時(shí)差法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)時(shí)差分辨力的要求較高。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,特別是時(shí)間測(cè)量技術(shù)的不斷更新升級(jí),外夾式超聲波流量計(jì)流量的測(cè)量誤差越來(lái)越小。電磁流量計(jì)的誤差一般在3%~5%之間,而外夾式超聲波流量計(jì)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(jì)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)滿足三分之一原則，是切實(shí)可行的。
根據(jù)平時(shí)工作中使用經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)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(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表時(shí),若超聲波流量計(jì)安裝現(xiàn)場(chǎng)所需的直管段滿足不同條件下對(duì)直管長(zhǎng)度的要求,那么對(duì)測(cè)量的影響量主要有:外夾式超聲波流量計(jì)的最大允許誤差外夾式超聲波流量計(jì)換能器安裝、管道直徑測(cè)量。
2.1外夾式超聲波流量計(jì)的最大允許誤差
外夾式超聲波流量計(jì)因其安裝簡(jiǎn)便、測(cè)量方便的特點(diǎn),已成為最常用的在線檢測(cè)設(shè)備。它是將一對(duì)換能器外夾在測(cè)量管道上,互相發(fā)射接收超聲波.信號(hào),聲波在檢定介質(zhì)中順流、逆流行進(jìn)--段距離，通過(guò)兩次行進(jìn)時(shí)間的比較,確定被測(cè)介質(zhì)的流速。根據(jù)JJG1030-2007《超聲流量計(jì)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(jì)的在線測(cè)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(jì)。
2.2外夾式超聲波流量計(jì)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(shuō)明書并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)時(shí),通常可采用Z法;當(dāng)流體流動(dòng)方向與管軸不平行時(shí),可采用V法或者X法;當(dāng)管道長(zhǎng)度有限時(shí)，使用X法可獲得較好的精度等。目前，可測(cè)的最小管徑為φ25mm,采用V法或W法以擴(kuò)大聲程長(zhǎng)度,增加順逆向聲傳播時(shí)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(cè)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(cè)量管軸線方向距離L需通過(guò)計(jì)算確定,并通過(guò)鋼直尺在被測(cè)管道上測(cè)量出測(cè)量管軸線方向的距離,將兩換能器安裝到位。同時(shí),需注意耦合劑的用量,確保換能器與測(cè)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(huì)影響正常的測(cè)量。大口徑管道測(cè)量時(shí)一般選擇Z法安裝,安裝時(shí)一對(duì)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(jì)流量計(jì)量正確與否。目前，超聲波流量計(jì)換能器在軸向方向安裝誤差給流量測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差已通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,如日本富士公司稱,超聲波流量計(jì)軸向安裝偏差1mm,會(huì)給流量測(cè)量結(jié)果帶來(lái)0.3%的測(cè)量誤差。同時(shí),圓周方向的安裝誤差會(huì)影響--對(duì)換能器的超聲波接受強(qiáng)度,從而影響流量測(cè)量結(jié)果(但現(xiàn)尚無(wú)直接數(shù)據(jù)引用)。在超聲波實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)管線外部涂層、管道銹蝕以及測(cè)試地點(diǎn)狹小等問(wèn)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(shí)際安裝過(guò)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(yàn)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(guò)超聲波流量計(jì)儀表本身最大允許誤差1.0%。
2.3管道直徑測(cè)量
2.3.1管道外徑測(cè)量
管道直徑可采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料確認(rèn)的方法,按照J(rèn)JF(蘇)228-2019《電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)規(guī)范》的規(guī)定,可以采用不低于1級(jí)鋼卷尺進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng).測(cè)量,1級(jí)鋼卷尺的最大允許誤差為±0.1mm±10-4L,但現(xiàn)場(chǎng)采用的是鋼卷尺測(cè)量管道周長(zhǎng)后計(jì)算得出管道的直徑,因此,所引入的誤差至少在0.1%~0.2%。對(duì)于1m的管徑直徑,引入的誤差可達(dá)到(1~2)mm。對(duì)于管道直徑比較小的測(cè)量,建議測(cè)量時(shí)可采用π尺等更精確的測(cè)量?jī)x器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
2.3.2管道內(nèi)徑測(cè)量
管道內(nèi)徑的數(shù)值是通過(guò)管道外徑測(cè)量值減去管徑壁厚獲得。管徑壁厚是采用超聲波測(cè)厚儀在換能器5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量后取平均值。超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)測(cè)量出試件的厚度。因此管道的材質(zhì)必須正確,同時(shí),測(cè)量時(shí)應(yīng)保證測(cè)量表面的光滑性,當(dāng)被測(cè)表面的粗糙度較大時(shí),則會(huì)影響耦合效果,從而造成測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化、傳感器技術(shù),結(jié)合幾何算法對(duì)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(dòng)定位安裝,并采用標(biāo)準(zhǔn)表法實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的在線校準(zhǔn)。
該系統(tǒng)主要由外徑測(cè)量單元、測(cè)量管軸線運(yùn)動(dòng)單元、測(cè)量管圓周運(yùn)動(dòng)單元和軟件系統(tǒng)組成,如圖2所示。由外徑測(cè)量單元結(jié)合超聲波測(cè)厚儀的測(cè)量數(shù)據(jù),可以確定管道內(nèi)外徑的數(shù)據(jù),通過(guò)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(dòng)運(yùn)行至指定位置,實(shí)現(xiàn)超聲換能器自動(dòng)定位、運(yùn)行和安裝,以減少由探頭安裝誤差引起的流量測(cè)量誤差。其主要應(yīng)用于對(duì)大口徑電磁流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),能較大提升在線檢測(cè)精度,為流量計(jì)的正確計(jì)量提供技術(shù)保障。
3.1便攜式時(shí)差法超聲波流量計(jì)
本項(xiàng)目中的便攜式時(shí)差法超聲波流量計(jì)可測(cè)量流速范圍(0.01~25)m/s,精度等級(jí)1.0級(jí)。
3.2內(nèi)1外徑測(cè)量單元
3.2.1外徑測(cè)量
外徑測(cè)量采用弓高弦長(zhǎng)法,根據(jù)設(shè)計(jì)量程的需要,可測(cè)量管徑為DN(500~2900)mm。.
外徑測(cè)量設(shè)計(jì)原理如圖3所示，圖中R為目標(biāo)測(cè)量對(duì)象,A、B兩點(diǎn)為設(shè)備觸點(diǎn),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(cè)量活動(dòng)軸采用機(jī)械式活動(dòng)原理,只要通過(guò)測(cè)量伸縮量尺Y1縮進(jìn)距離Y2即可得出最終目標(biāo)R的實(shí)際數(shù)值。Y1為活動(dòng)量尺，具有彈性結(jié)構(gòu),可通過(guò)容柵位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)Y2的精準(zhǔn)測(cè)量,保證精度≥0.lmm以上測(cè)量誤差。該部分通過(guò)位移傳感器進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)獲取,進(jìn)而通過(guò)AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終獲得數(shù)字信號(hào)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(guò)管道外徑測(cè)量值減去管徑壁厚獲得。管徑壁厚仍然采用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量,將所測(cè)數(shù)據(jù)輸人軟件中，顯示內(nèi)徑的數(shù)據(jù)值。
3.3測(cè)量管軸線運(yùn)動(dòng)單元
測(cè)量管軸線運(yùn)動(dòng)單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)換能器測(cè)量管軸線方向上運(yùn)動(dòng)距離的控制和定位,主要由運(yùn).動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分和定位部分組成。驅(qū)動(dòng)部分使用步進(jìn)電.機(jī)控制精密絲桿,帶動(dòng)兩個(gè)換能器運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)測(cè)量管軸線方向運(yùn)動(dòng),保證運(yùn)動(dòng)精度士1mm;測(cè)量管軸線方向運(yùn)動(dòng)定位部分采用鋁合金運(yùn)動(dòng)滑軌上安裝磁柵，通過(guò)傳感器讀取兩個(gè)換能器之間的相對(duì)距離,確保定位的正確率。
3.4測(cè)量管圓周運(yùn)動(dòng)單元
測(cè)量管圓周運(yùn)動(dòng)單元主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)換能器在圓周方向上運(yùn)動(dòng)的控制和定位。換能器在圓周方向上的運(yùn)動(dòng)是采用機(jī)械手臂來(lái)控制。V法、W法的換能器安裝是不需要進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(cè)量值.內(nèi)徑測(cè)量值、X軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、圓周運(yùn)動(dòng)角度、流量測(cè)量值。同時(shí),通過(guò)軟件的調(diào)節(jié)可以控制換能器在X軸方向的運(yùn)動(dòng)和圓周方向的運(yùn)動(dòng)。
4結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一組精度高的機(jī)械化運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和一套高效的綜合軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了流量的自動(dòng)化測(cè)量。利用磁阻感應(yīng)技術(shù)對(duì)管線進(jìn)行立體式定位分析,建立三維模型。通過(guò)三維建模實(shí)現(xiàn)了雙換能器.自動(dòng)可視化立體三維定位,對(duì)超聲波流量計(jì)換能器進(jìn)行正確定位傳送,流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量后,傳輸各類數(shù)據(jù)至綜合軟件系統(tǒng),并自動(dòng)測(cè)得流量數(shù)值。該系統(tǒng)改變了以往測(cè)量中只能人為手工測(cè)算和安裝的現(xiàn)狀,不再只依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),而是通過(guò)數(shù)字化的自動(dòng)控制系統(tǒng)操控，完成了流量計(jì)的定位、安裝、檢測(cè)、計(jì)算,降低了對(duì)技術(shù)人員操作經(jīng)驗(yàn)和能力的要求,提升了檢測(cè)效率。作為一種自動(dòng)在線測(cè)量的計(jì)量器具,其發(fā)揮的效果將是帶動(dòng)整個(gè)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展,為流體計(jì)量在線測(cè)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(huì)帶來(lái)較好的效益,又極大地推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)相關(guān)行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。
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