摘要(yào):本文介紹了使用(yòng) 外夾式超聲波流(liu)量計 作爲标準表(biǎo)對 電磁流量計 進(jìn)行在線檢測的方(fang)法.分析了使用該(gāi)方法過程中對測(cè)量🌐結果的影響量(liang)，設計并制作了一(yi)種基于磁阻掃描(miao)技術的流量⛹🏻‍♀️在線(xian)測量系統,通過實(shi)驗及調☁️試結果,該(gai)系統可大幅✂️度提(tí)升✂️大口徑流體測(ce)量的測量精度。
1流(liú)量在線檢測的意(yì)義
　　電磁流量計在(zài)線檢測是近年來(lai)流量儀表計量檢(jiǎn)測技術發展的一(yi)個重要方向。電磁(ci)流量計一般被安(ān)裝在自來水輸水(shuǐ)、地表水取水、污水(shuǐ)排放等管線上，以(yǐ)實💁現管線流量的(de)實時計量。安裝在(zài)這-類管線上的電(dian)磁流量計,其口徑(jìng)從(DN500~DN2000)mm不等。這類流🚶‍♀️量(liang)計不僅體積龐大(da),安🆚裝處還往往沒(méi)有設置旁通管線(xian)。如要将該電磁流(liú)量🐕計拆卸并送至(zhì)實驗室進行檢測(cè)，就需要關閉儀表(biǎo)前段閥門。而關閉(bì)閥門就會造成管(guǎn)線停水，嚴重影響(xiang)居民生活和企業(ye)生💘産♋。例如,安裝一(yī)台公稱💔直徑爲DN500mm的(de)電磁流量😘計的自(zi)來水管線,需要供(gong)給一個鄉鎮的生(shēng)活用水,如因流量(liang)計送檢關閉管道(dào)若幹天,造成幾萬(wan)名居民無法正常(cháng)用水,勢💛必産生較(jiao)大的社會影響。
　　除(chu)此之外,自來水、污(wu)水、地表水輸水管(guǎn)線大都埋入👣地下(xià),計量儀表一-般安(an)裝在1m見方的設備(bèi)井中,設計時未考(kǎo)慮流量👣儀表拆卸(xie)送檢的需求，拆卸(xie)空間嚴重受限,從(cóng)而導緻此類儀表(biǎo)無法拆卸送檢。因(yīn)此,實踐中存在較(jiào)多流量♈計自安裝(zhuāng)後就未再檢定或(huo)校準,其計量性😍能(neng)也難以得到保證(zhèng)。在貿易交接中，雙(shuāng)方在交易量出現(xian)較大分歧時🚶,由于(yú)沒有可靠🍓的測☀️量(liang)數據做依據,因此(cǐ)損害🥵了雙方的經(jing)濟利益。近幾年，随(suí)着相關企業精細(xì)化管理要求的提(ti)高,其對大口徑流(liú)量計儀表在線🌏檢(jian)定、檢測的需求也(ye)變🏃得愈發強烈。
　　目(mù)前,對電磁流量計(jì)的在線測量主要(yào)有三種方式，即:使(shi)用💚外夾式超聲波(bō)流量計作爲标準(zhun)表;使用串聯移動(dong)式校準裝置作爲(wei)标準表稱重法。其(qi)中,使用 便攜式時(shí)差法超聲波流量(liàng)計 作爲标準表時(shi),測量的管徑範圍(wei)較大,使用範圍較(jiao)廣。本👣文重點研究(jiu)該方法在現場在(zai)線檢測中的影響(xiang)因素和解決方案(an)。
2外夾式超聲波流(liú)量計作爲标準表(biao)對測量的影響量(liang)
　　 外夾式超聲波流(liu)量計因其攜帶和(hé)使用方便,廣泛應(ying)⛷️用于純淨水、污水(shuǐ)、油品等其他液體(tǐ)介質和天然氣、空(kong)氣等氣體介質的(de)測量。”外夾式超聲(sheng)波流量計在實際(jì)檢測過程中應用(yòng)了時🏃🏻差法原理,實(shí)現對流量的測量(liang)。時差法在⭐實際應(ying)用時，對時差✂️分辨(biàn)力的要求較高。随(sui)着檢測技術的發(fa)展,特别是時間測(cè)量技術的不斷更(gèng)♉新升級,外夾式✌️超(chāo)聲波流量計流量(liang)❌的測量誤差越來(lái)越小。電磁流量計(ji)的誤差一般在3%~5%之(zhī)🎯間,而外夾式超聲(sheng)波流量計的最大(da)允🏃🏻許誤差可🚶‍♀️以達(da)到1%,甚至更小。因此(ci),采用外🔴夾式超聲(shēng)波流🥵量計對其進(jin)行校準滿足三分(fen)之一原則，是切💰實(shi)可行的。
　　根據平時(shí)工作中使用經驗(yan)以及對相關專業(yè)資料的研📞究,總結(jié)分析得出,選用外(wài)夾式超聲波流量(liàng)計作爲标準表時(shí),若超聲波流量計(ji)安裝現場所需的(de)直管段滿足不同(tóng)條件下對直管長(zhang)度的要求,那麽對(dui)測量的影響量主(zhu)要有:外夾式超聲(shēng)波流量計的最大(dà)允許誤差外夾式(shì)超⚽聲波流量計換(huàn)能器安裝、管道直(zhi)徑測量㊙️。
2.1外夾式超(chao)聲波流量計的最(zui)大允許誤差
　　外夾(jiá)式超聲波流量計(jì)因其安裝簡便、測(ce)量方便的特點,已(yǐ)成爲🐅最常用的在(zài)線檢測設備。它是(shi)将一對💋換能器外(wai)夾在測量管道上(shàng),互相發射接收超(chāo)聲波☀️.信号,聲波在(zai)檢定介質中順流(liu)🏃🏻、逆流行進--段距離(lí)，通過兩次行進時(shí)間的比較,确定💔被(bei)測介質的流速。根(gēn)🌈據JJG1030-2007《超聲流量計檢(jian)定規程》可知，最大(dà)允許誤差分爲:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而(ér)用于電磁流量計(jì)的在線測📧量,則需(xū)選用最大允許誤(wu)差小于等于💘±1.0%的外(wai)夾式超聲波流量(liang)計。
2.2外夾式超聲波(bo)流量計換能器安(an)裝
2.2.1換能器安裝方(fāng)式
　　換能器安裝方(fang)式通常有Z法、V法、X法(fǎ)、W法等,應根據使用(yong)🔱說明書并結合現(xiàn)場條件選擇最恰(qià)當的安裝方式😄,換(huan)能器安裝方式示(shì)意圖如圖1所示。例(lì)如,當流體平行于(yú)管軸流動時,通常(chang)可采用💋Z法;當流體(ti)流動方向🌈與管軸(zhóu)不平行時,可采用(yong)V法或者X法;當管道(dào)長度有限時，使用(yong)X法🏃‍♀️可獲得較好的(de)精度等。目前，可測(ce)的最🐪小管徑爲φ25mm,采(cǎi)用V法或W法以擴大(dà)聲程長度,增加順(shun)逆向聲傳播時間(jiān)。而🔞乙法一般用于(yu)φ50mm以上管道。
 
2.2.2換能器(qì)安裝位置
　　換能器(qi)安裝的測量管軸(zhou)線應盡可能與管(guan)道軸線一緻💋,并且(qie)需保證管内充滿(man)液體，兩換能器之(zhī)間的測量管軸線(xian)方向距離L需通過(guò)計算确定,并通過(guo)鋼💛直尺在被測管(guǎn)道上測量出測🔅量(liang)管軸線方向的距(ju)離,将兩換能器安(an)裝🐇到位。同時,需注(zhu)意耦合劑的用量(liàng),确保換能器與測(ce)量管道要耦合好(hǎo)。并且保證換能器(qì)表面的清潔,若表(biǎo)面污物較多，則會(hui)影響正常的測量(liang)。大口徑管道測量(liàng)時一般選擇Z法安(an)裝,安裝時一對換(huàn)能器管道軸向安(an)裝距離和管道圓(yuán)周方㊙️向安裝角度(dù)是否正确🈚,直接關(guan)系到超聲波流量(liang)計流量計量正确(què)與‼️否。目前，超聲波(bo)流量計換能器在(zài)軸向方向安裝誤(wu)差給流量測量結(jie)果帶來的誤差🐆已(yǐ)通💰過大量實驗數(shu)據得出,如日本富(fù)士公司稱,超聲波(bo)流量🔞計軸向安裝(zhuāng)偏差1mm,會給♌流量測(cè)量結果帶來0.3%的測(cè)量誤差。同時,圓周(zhou)方向的安裝誤差(cha)會影響💰--對換能器(qì)的超聲波接受強(qiáng)度,從而影響流量(liang)測量結果(但現尚(shang)無直接數據引用(yòng))。在超聲波實際測(ce)量過程中，被測管(guan)線外部塗層、管道(dào)鏽蝕以及測試地(di)點狹小等問題，,給(gei)換能器的正确安(an)裝造成很大的🚶困(kùn)難。一條DN800mm的輸水管(guǎn)線Z法安裝爲例，其(qí)換能器安裝标準(zhun)距離爲365mm,而實際安(ān)裝過程中,軸😍線方(fang)向安裝偏差甚至(zhi)達到10mm(若管道外側(ce)鏽蝕嚴重,安裝誤(wù)差甚至更大),根據(jù)經驗用公式推算(suàn),由安裝誤差引起(qi)的流量偏✊差達到(dao)3.0%,遠超過超聲波流(liu)量計儀表本身最(zuì)大允許誤🔴差1.0%。
2.3管道(dào)直徑測量
2.3.1管道外(wài)徑測量
　　管道直徑(jing)可采用現場測量(liàng)結合現場資料确(què)認的方法,按照JJF(蘇(su)🔴)228-2019《電磁流量計在線(xiàn)校準規範》的規定(dìng),可以采用不☎️低于(yú)1級鋼卷尺進行現(xian)場.測量,1級鋼卷尺(chi)的最大允許誤🔴差(cha)爲±0.1mm±10-4L,但現場采用的(de)是鋼卷尺測量管(guǎn)道周長後計算得(dé)出管道的直徑,因(yin)此,所引入的誤差(chà)至少在0.1%~0.2%。對于1m的管(guan)徑直徑,引入的誤(wù)差可達到(1~2)mm。對于管(guǎn)道直徑比較小的(de)測量,建議測量時(shi)可采用π尺等更精(jing)确的測量儀器來(lai)進行測量。
2.3.2管道内(nèi)徑測量
　　管道内徑(jìng)的數值是通過管(guan)道外徑測量值減(jiǎn)去管徑壁厚📐獲得(de)。管徑壁厚是采用(yong)超聲波測厚儀在(zai)換能器🧡5個不同位(wèi)🔴置進⁉️行測量後取(qǔ)平均值。超聲波測(cè)厚儀是根據超聲(shēng)波在已知固體材(cai)料中傳播的速度(dù)和傳播的時間來(lai)⁉️測量出試件的厚(hòu)度。因此管道🔞的材(cái)質必須😘正确,同時(shi),測量時應保證測(ce)量表面的光滑性(xìng),當被測表面的粗(cu)糙度❌較大時,則會(huì)影響耦☔合效果,從(cóng)而造成㊙️測量數據(ju)的偏差。
3解決方案(àn)
　　本文介紹一種基(ji)于磁阻掃描技術(shu)的流量在線測量(liàng)㊙️系統🌈。通👉過🏒機械自(zì)動化、傳感器技術(shu),結合幾何算☂️法對(duì)數據進行采集與(yǔ)處理,獲得管道參(cān)數、控制超👅聲換能(neng)器的自動定位安(an)裝,并采用标準表(biao)法實現🔞對流量計(jì)的在線校準。
　　該系(xi)統主要由外徑測(cè)量單元、測量管軸(zhóu)線運動單元、測量(liang)管圓周運動單元(yuan)和軟件系統組成(chéng),如圖2所示。由⁉️外徑(jing)🐉測量單元📱結合超(chāo)聲波測厚儀的測(cè)量數據,可以确定(ding)管道内外徑的數(shu)據,通過在智能行(hang)走🌈單.元上安裝超(chāo)聲換🌍能器,使用自(zi)主開發軟件控制(zhì)✍️超聲換能器自動(dong)運行至指定位置(zhi),實現超聲換能💋器(qi)自動定位、運行和(hé)安裝,以減💃少由探(tan)頭安裝誤差引起(qi)的流量測量誤差(chà)。其主要應用于對(dui) 大口徑電磁流量(liàng)計 的現場校準,能(néng)較大提升在線檢(jian)測精度,爲流量計(ji)的正🌈确計量提供(gong)技術保障。
 
3.1便攜式(shi)時差法超聲波流(liú)量計
　　本項目中的(de)便攜式時差法超(chao)聲波流量計可測(cè)量流速範圍(0.01~25)m/s,精度(dù)等級1.0級。
3.2内1外徑測(cè)量單元
3.2.1外徑測量(liàng)
　　外徑測量采用弓(gong)高弦長法,根據設(shè)計量程的需要,可(ke)🍓測量管徑爲DN(500~2900)mm。.
　　外徑(jìng)測量設計原理如(rú)圖3所示，圖中R爲目(mù)标測量對🌍象,A、B兩點(diǎn)✊爲設備觸點,A和B的(de)主體支架采用固(gù)定支架,其中AB之間(jian)的距離爲固定值(zhí)D,Y1爲伸縮量尺,Y2爲縮(suo)進距離。
 
　　其中測量(liang)活動軸采用機械(xiè)式活動原理,隻要(yào)通過測量✔️伸縮💚量(liàng)尺Y1縮進距離Y2即可(ke)得出最終目标R的(de)實際數👌值。Y1爲📧活動(dong)量尺，具有彈性結(jie)構,可通過容栅位(wèi)移傳感器實現對(dui)Y2的精準測量,保證(zheng)精度≥0.lmm以上測量誤(wu)差。該部分通過位(wei)移傳感器進行模(mo)拟👉數據獲取,進而(er)通過AD數據轉換最(zuì)終獲得數字信号(hao)數據,并傳遞到軟(ruǎn)件中顯示。
3.2.2内徑數(shu)據
　　管道内徑的數(shù)值是通過管道外(wài)徑測量值減去管(guǎn)徑壁♉厚獲✍️得。管徑(jìng)壁厚仍然采用超(chao)聲波測厚儀進行(háng)測量,将所測數據(jù)輸人軟件中，顯示(shì)内徑的數據值。
3.3測(ce)量管軸線運動單(dān)元
　　測量管軸線運(yùn)動單元主要實現(xian)對兩個換能器測(ce)量管軸線方向上(shàng)運動距離的控制(zhì)和定位,主要由運(yun).動驅動部分🈲和定(dìng)位部分組成。驅動(dong)部分使用步進電(diàn).機控制精密絲杆(gǎn),帶動兩個換能器(qì)運動,實現測量管(guan)軸線方向運動,保(bǎo)證運🈚動精度士1mm;測(cè)量管軸🙇‍♀️線方向運(yun)動定位部分采用(yong)鋁合金運動滑軌(guǐ)上安裝磁栅，通過(guò)傳感器讀取兩個(ge)換能器之間的相(xiàng)對距離,确保定位(wei)的正确率。
3.4測量管(guǎn)圓周運動單元
　　測(ce)量管圓周運動單(dan)元主要是實現對(duì)兩個換能器在圓(yuán)周方向上運動的(de)控制和定位。換能(neng)器在圓周方向🔴上(shang)的運動🐅是采🚩用機(jī)械手臂來控制。V法(fa)、W法的換能器安裝(zhuang)是不需要進行圓(yuán)周運動的。Z法的換(huan)能器安裝,若圓❤️周(zhou)_上的圓心角是180°,則(ze)在機械手臂上安(an)裝角度傳感器,确(què)保兩換能器各運(yùn)動的✨角度爲90°,即到(dào)🐉達指定的位置。
3.5軟(ruǎn)件系統
　　軟件系統(tǒng)可以顯示外徑測(cè)量值.内徑測量值(zhí)、X軸運動☀️坐标、圓📧周(zhou)運動角度、流量測(cè)量值。同時,通過軟(ruan)件的調節可以控(kòng)🌈制換能器在X軸方(fāng)向的運動和圓周(zhou)方向的運動。
4結束(shu)語
　　該系統設計了(le)一組精度高的機(ji)械化運動結構和(he)一套高⚽效的綜合(he)軟件系統,實現了(le)流量的自動化測(ce)量。利用🍉磁阻🌐感應(ying)技術對管線進行(hang)立體式定位分析(xi),建🔴立三維模型。通(tong)過三維建模實現(xiàn)了雙換能器.自動(dong)可視化立體三維(wei)定位,對超聲波📞流(liú)量計換能器進行(hang)正确定位傳送,流(liu)量計進行測量後(hou),傳輸⭐各類數據至(zhì)綜合軟件系統,并(bìng)自動測得流量數(shù)值。該系統改變了(le)以往測量中隻能(neng)人爲手工測算和(he)安裝的現狀,不再(zai)隻依靠技術人員(yuan)的📞經驗,而是通過(guò)數字化🥰的自動控(kòng)制系統操🈲控，完成(cheng)了流量計的🔴定位(wei)、安裝、檢測、計算,降(jiàng)低了對技術人員(yuán)操作經驗和能力(lì)的要求,提升了檢(jiǎn)測效率。作爲一種(zhong)自動在線測量的(de)計量器具,其發揮(hui)的效果将是帶動(dòng)整個相關行業的(de)發展,爲流體計量(liang)在線測量的應用(yong)發展提供更加标(biao)準科學的應用參(cān)考,既爲社會帶來(lai)較好的效益,又極(ji)大地推動了整個(gè)社會相關行業🤞的(de)進步和發🥵展。

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