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        電磁流量計

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        氣體流量計在線檢定系統

        氣體流量計在線檢定系統

        產品說明:摘要: 基于氣體流量計離線送檢成本較高以及超聲波流量計高精確度、高穩定性的特點,根據時差法超聲波流量計的工作原理,設計出一套可對氣體流量計進行在線檢定的標準裝置。

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        • 產品說明

        摘要: 基于氣體流量計離線送檢成本較高以及超聲波流量計高精確度、高穩定性的特點,根據時差法超聲波流量計的工作原理,設計出一套可對氣體流量計進行在線檢定的標準裝置?,F場實驗證明: 系統可實現標準超聲波流量計和被檢流量計的流量數據采集,顯示以及數據處理,并通過實驗分析了影響檢測精確度的各種因素,為氣體流量計的計量檢定和量值溯源提供了有效保障。

        氣體流量計在線檢定系統
        0、引言:
          隨著天然氣的日益普及,各種燃氣流量計的在線檢定問題有待解決。近幾年來,超聲波流量計在管道流量測量方面得到了廣泛的應用,特別是大口徑管道的測量。目前流量計的檢定大多采用離線周期送檢,在實驗室利用標準裝置進行檢定校準,這種方法需要把連續工作的流量計拆卸掉而用直管段替代,這樣不僅造成流量計量不準確,給企業帶來損失,且容易引起貿易糾紛。因此設計一套對氣體流量計進行現場檢定的標準裝置解決上述問題,具有重大的現實意義。

        1、時差法超聲波流量計:
          測量原理超聲波流量計主要由超聲換能器、信號處理單元以及顯示部分組成。超聲波流量計按其工作原理主要可分為時差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計等。時差法測量超聲波原理[1]是通過發射超聲波換能器以與氣體流動方向成銳角發射超聲波信號,由接收超聲波換能器接收超聲波信號,通過測量超聲波在管道氣體中的順流和逆流的傳播時間差計算氣體的流速,進一步推導出氣體的流量。
          超聲波流量計尤其適用于大管徑或者不易接觸等特殊場合,是非接觸測量的一種。時差法超聲波流量計測量原理如圖 1 所示。超聲波在氣體中的傳播速度由氣體傳播速度 v 在超聲波傳播方向的分量 v 和靜態下超聲波傳播速度 c 合成,超聲波順流和逆流的傳播速度 td和 tu分別為:
        傳播速度 td和 tu分別為
        傳播速度 td和 tu分別為
        圖 1 時差法測量原理
        式中: td和 tu分別為超聲波順流和逆流的傳播時間; α 為超聲波傳播方向與水平方向夾角; L 為傳播距離??衫檬? 1) 和式( 2) 得出流體流速的表達式:v =L2cosα(1td-1tu) ( 3)
          式中 v 是流體的速度。測量距離 L、超聲波傳播方向與水平夾角為已知量,td和 tu可通過現場實驗測量得到,在排出外界溫度環境影響的條件下,可求出氣體傳播速度,從而得到流量信息。

        2、系統構成及檢定過程:
        2.1、系統構成氣體流量計:
          在線檢定系統主要包括被檢流量計管段、標準管段、超聲波換能器、信息采集模塊、主控系統等部分。氣體流量計在線檢定系統采用雙聲道超聲換能器夾在特殊材質的管道上,將被檢流量計和標準流量計串聯起來,通過采集被檢流量計和標準流量計的流量信息,存儲相對應的瞬時流量和累積流量,好終通過對比,計算出二者誤差,整套實驗裝置的示意圖如圖 2 所示。
        圖 2 燃氣流量計在線檢定系統示意圖

        圖 2 燃氣流量計在線檢定系統示意圖
          在上位機中控制標準表的檢定時間,將被檢流量計某一時間的流量信號保存在下位機中,當一個流量點檢定完成后,由上位機根據檢定的起止時間通過 Internet 網絡查詢被檢表的流量,從而完成精確測量。由于外夾式流量計無法精確測量管道截面積以及插入式流量計必須使超聲波接觸介質,不能在線測量等缺點,該系統采用西門子改造的一種帶換能器探頭的標準管段,可以實現探頭和換能器的分離。

        2.2、檢定過程:
        使用該檢定系統進行檢定的操作步驟如下:
        ( 1) 管道直徑測量。利用卷尺和三角板在標準管道上的同一截面上分別進行測量 n 次,D 滿足公式:
        D =( D1+ D2+ D3+ …… + Di)n( 4)根據式( 4) 計算出管道的外徑。
        ( 2) 管道材質及表面處理。根據標準流量計上可供選擇的材質類型,選擇與所用管道相同或者相近的材質類型,并利用砂布對標準管道表面進行打磨處理。然后在測量好的管道上粘貼 CC129 膜,以便使換能器更順利地采集超聲波信號。
        ( 3) 安裝超聲換能器。雙通道超聲波流量計共 4 個換能器,安裝的時候需注意兩對換能器的對應,一對全為 A,另外一對為 B。另外與流量計和換能器相連的 4 條電纜線,同樣將一對換能器與一個通道相連的電纜對應,并根據管道中氣體的流動方向分清電纜上所對應的 UP 和 DOWN,在換能器與管道接觸表面均勻涂上耦合劑,安裝時以全面耦合為非常好的[2],避免換能器與管道之間縫隙的存在,影響超聲波信號的測量。
        ( 4) 換能器信號檢測。在超聲波流量計上輸入管道參數和管道中的氣體參數建立檢定現場,流量計將根據輸入的參數,給定換能器的安裝距離。換能器安裝完之后,流量計將進行自檢過程,若安裝正確,流量計屏幕上會出現一個對話框顯示當時的信號強度和管道內的聲速。
        ( 5) 計算誤差。利用檢定系統,分別讀取一定時間內標準表和被檢表的瞬時流量和累計流量分別計算出被檢流量計的誤差和重復性[3]。公式如下
        計算公式

        槡2× 100% ( 7)式中: ( qs)ij為第 j 次檢定的標準值; Ei為被檢流量計第 i 個流量點的示值誤差; ( Er)i為被檢流量計第 i 個流量點的重復性。
        ( 6) 生成報告。由 USB 數據采集卡采集被檢表和標準表的流量,并通過 USB 接口顯示在上位機中,檢定結束后,將數據和被檢表信息保存到 Excel 表格中,生成檢定報告,出具相應的檢定/校準證書。

        3、硬件設計:
          氣體流量計在線檢定系統硬件部分由信號調理模塊、信號處理模塊以及人機接口電路 3 部分組成。信號調理模塊: 完成超聲波信號的放大、濾波以及 A/D 轉換,以供單片機進行處理;信號處理模塊: 完成數據的采集、計算及與計算機通訊功能; 人機接口電路: 完成處理后輸出信號的采集和相應軟件系統的顯示功能。硬件結構框圖如圖 3 所示。
        圖 3 硬件結構框圖
        圖 3 硬件結構框圖
          系統工作過程為: 由被檢流量計和標準流量計輸出的兩路模擬信號量,需經過信號調理電路對其進行調理,然后經過信號處理模塊對采集到的數據進行相關處理,好后通過人機接口電路顯示并保存檢測結果,可通過視頻、RS - 232 接口或 RS -485 接口 3 種方式與計算機通訊。

        3.1、信號調理模塊:
          由標準流量計和被檢流量計采集的信號是 4 ~ 20 m A 的電流信號[4],由于輸出的模擬信號且比較微弱,因此需進行放大、濾波和調幅等處理。由于此裝置用來完成計量檢定,因此對精確度要求較高,選擇 AD8250 作為放大芯片,該程控放大器具有低的輸出噪聲及低失真性等特點,可保證輸出信號的穩定性。A / D 轉換芯片選擇 AD7321,它是一個雙通道、12 位帶符號位的逐次逼近型 A/D 轉換器,該轉換器有高速串行接口,好高吞吐量可達 500 KSPS,具有精度高,轉換速度快且功耗低等優點。
        3.2、信號處理模塊:
          信號處理模塊采用可編程邏輯器件 EMP1270T144C5N 芯片,對轉換得到的數字信號信號進行處理,它可提供豐富的邏輯資源,且功耗低,IO 接口多,可擴展性強。在 EPM1270 與單片機的接口電路通過 2 片 74ALVC164245,將電壓轉換成單片機可用的 + 5 V電壓,來實現電平轉換。利用 JTAG 下載接口將從流量計上采集的信息下載到存儲芯片 RAM 上,下位機能夠通過視頻、RS -232 接口或 RS -485 接口任意一種方式與計算機進行通信。
        3.3、人機接口電路人機接口:
          電路的設計目標是為了給工作人員提供友好的工作平臺,協助完成計量檢定工作,使氣體流量計的檢定流程可以集檢測、數據處理、生成檢定結果報告和檢定記錄于一體,并好終打印檢定結果證書。該系統通過 USB 采集芯片來實現信號的采集,通過軟件編程完成可視化操作界面,實現人與計算機以及外部更多輔助設備的信息交換。

        4、軟件:
          設計由于該在線氣體流量計檢定系統主要應用于氣體流量計的現場計量檢定,因此需要設計簡單易操作的工作界面以供檢定工作人員操作。該設計采用面相對象的思想,用戶界面采用VB 程序設計開發,檢定數據采用 Microsoft Access 數據庫進行管理。整個軟件設計過程簡單,且易于更新。軟件部分編程包括數據傳輸部分和檢定部分。數據傳輸部分通過使用動態鏈接庫和初始化函數來實現 A/D 數據采集。檢定部分是軟件設計的核心,檢定結果與客戶的利益密切相關,是保證計量準確性的關鍵環節。檢定流程圖如圖 4 所示。
        圖 4 軟件主程序流程圖
        圖 4 軟件主程序流程圖

          檢定開始時,將換能器等信息采集裝置安裝到待測管道上,待傳感器等測量電路連接完備,進入到主程序界面,每隔一段時間采集流量信息,同時在檢定界面上顯示,并且將流量數據保存數據庫中。將標準表與被檢表的瞬時流量和累積流量分別對比,得到誤差和不確定度。軟件工作流程為: 系統上電后,首先對采集模塊進行初始化,初始化主要完成設定采集信號時間間隔、檢定點數等準備工作,設置好 A/D 轉換頻率之后,啟動 A/D 轉換,當轉換結束后,讀取采集到的數據,存儲到緩存區域,然后對采集到的相應流量點的數據,通過相關公式進行計算,轉換為被檢儀表的瞬時流量和累計流量,并將有關數據結果存儲起來。
          可視化操作界面可根據流量計的種類選擇不同的檢定方式,如 A/D 轉換、脈沖方式和視頻采集方式等,檢定完成后將結果通過數據庫存儲起來,以便查詢歷史記錄。


        5、系統的應用及影響測量精確度因素分析:
        5.1、系統的應用氣體:
          流量計檢定系統與傳統檢定裝置相比,體積小,易于攜帶,適用于現場檢測。實驗前需對現場檢定所采用的外夾式1010GCN 超聲波流量計進行實驗室檢定,精度符合相關計量檢定標準方可作為現場標準檢定計量器具。將外夾式標準超聲波流量計的傳感器安裝于被檢管段式流量計前端管道上,排除溫度、壓力、氣體參數等因素的影響,表 1 為用 1010GCN 超聲波流量計作為現場標準流量計進行在線測量的數據。實驗通過 4 次測量,得到被檢流量計和標準超聲波流量計 3 min 內的累積流量。設被檢表流量記為 Q1,在線檢定系統所用標準超聲波流量計流量為 Q,相對誤差用 δ 來表示,計算公式為:
        表 1 現場檢定試驗結果
        表 1 現場檢定試驗結果

          現場試驗數據證明,受現場溫度等環境因素影響,被檢流量計雖然與實驗室檢定結果有一定的差異,但其工作穩定,誤差均在檢定規程允許的范圍之內。所用標準超聲波流量計雖有波動,但完全可以作為現場檢定流量計的計量器具。

        5.2、影響測量精確度因素:
          分析通過對現場測量結果分析,結合傳統實驗室檢定經驗,影響測量精度的因素歸納為以下幾點:
        ( 1) 現場檢定環境跟實驗室相比,現場檢定時信號傳播衰減幅度大、檢波不穩定、信號干擾嚴重及流場影響等問題,需要采取一定的措施盡量減少外界環境因素帶來的影響。
        ( 2) 對于小型供氣企業來說,管道本身的壓力一般為0. 6 ~1. 0 MPa. 實驗室標準裝置所用的金屬管道對聲速的衰減幅度較大,導致超聲波換能器夾在管道上不能測到流體信號,影響檢定結果。因此,通過實驗,找出一種能替代金屬管道作為安裝換能器的管道,成為該系統需要解決的另外一個問題。
        ( 3) 換能器安裝方式的影響。針對現場檢定低壓環境下,不同管道材質對換能器安裝方式有一定影響。流量積算儀的推薦安裝方式為 V 型,對于流態分布紊亂使應用條件變差的流體[6],反射式安裝可提供補償。直射式( Z) 型安裝可以獲得較強的換能器信號,由于系統采用塑料管道,管道材料對聲速的衰減較大,采用 Z 型安裝效果更好。
        ( 4) 換能器安裝距離的影響。探頭的安裝距離必須保證準確。在檢定中為了保證非常好的信號強度,需要根據標準流量計上提供的換能器非常好的距離,平行移動 2 個探頭,在保證探頭的安裝距離符合要求的前提下尋找非常好的安裝點,并通過實際測量確保探頭的安裝距離準確無誤。

        6、結束語:
          隨著國內燃氣事業的飛速發展,在線校準檢定是未來發展的重要趨勢,特別是運用方便小巧的檢定裝置。通過試驗表明,多次試驗之后總結出來的提高檢定裝置準確性的方法,能夠使得在線檢定準確度達到預期的技術指標,并且使其應用越來越廣泛化。

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