摘要(yào):本文介紹了使(shi)用 外夾式超聲(sheng)波流量計 作爲(wei)标準表對 電磁(cí)流量計 進行在(zai)線檢測的方法(fa).分析了使用該(gai)方法過程中對(dui)測量結果的影(yǐng)響量，設計并制(zhi)作了一種基于(yú)磁阻掃🚩描技術(shù)的流量在線測(cè)量系統,通過實(shí)驗及調試結果(guǒ),該系統可大幅(fu)度提升大口徑(jìng)流體測量的測(cè)量精度。
1流量在(zài)線檢測的意義(yi)
　　電磁流量計在(zai)線檢測是近年(nian)來流量儀表計(ji)量檢測♌技✌️術發(fā)展❤️的一個重要(yào)方向。電磁流量(liang)計一般被安裝(zhuāng)在自來水輸水(shui)、地表水取水、污(wu)水排放等管線(xian)上，以實現管線(xian)💛流量的實時計(jì)量。安裝在這-類(lèi)管線上的電磁(cí)流量計,其口徑(jìng)從(DN500~DN2000)mm不等。這類流(liú)量計不僅🏃‍♀️體積(ji)龐大,安裝處還(hai)往往♈沒有設置(zhi)旁通管線。如要(yao)将該電磁流量(liang)計拆卸并送至(zhì)實驗室進行檢(jiǎn)測，就需要關閉(bi)儀表前段閥門(mén)👅。而關閉閥門就(jiù)會造成管線停(ting)水，嚴重影響居(jū)民生活和企業(yè)生産♌。例如,安裝(zhuang)一台公稱直徑(jìng)爲DN500mm的電磁流量(liang)💚計的自來水管(guǎn)線,需要供給一(yi)個鄉鎮的生活(huó)⛱️用水,如因流量(liang)⁉️計送檢關閉管(guǎn)道若幹天,造成(cheng)幾萬名居民無(wu)法正常用水,勢(shì)必産生較大的(de)社會影響。
　　除此(cǐ)之外,自來水、污(wu)水、地表水輸水(shui)管線大都埋入(ru)地下☀️,計量儀表(biao)一-般安裝在1m見(jiàn)方的設備井中(zhōng),設計時未考慮(lǜ)流量🔴儀表拆卸(xiè)送檢的需求，拆(chai)卸空間嚴重受(shòu)限,從而導緻此(ci)類儀表無法拆(chai)卸送檢。因此,實(shí)踐中存在較多(duō)流量計自安裝(zhuāng)後就未再檢定(dìng)或校準,其計量(liang)性🏃🏻‍♂️能也難以得(de)到保證。在貿易(yì)交接中，雙方在(zai)交易量出現較(jiao)大分歧時,由于(yu)沒有可靠的測(cè)量數據做依據(jù),因此損害💜了雙(shuāng)方的經濟利益(yì)。近幾年，随着相(xiàng)關企業精細化(huà)管理要求的提(ti)高,其對大口徑(jìng)流量計儀表在(zai)線⛹🏻‍♀️檢定、檢測的(de)需求也變得愈(yu)發強烈。
　　目前,對(dui)電磁流量計的(de)在線測量主要(yào)有三種方式，即(ji):使用外♉夾式超(chao)聲波流量計作(zuo)爲标準表;使用(yòng)串聯移動式校(xiao)準裝置💋作爲😍标(biao)準表稱重法。其(qí)中,使用 便攜式(shi)時差法超聲波(bō)流量計 作爲标(biao)準表時,測量的(de)管徑範圍較大(dà),使用範圍較廣(guang)。本🐆文重點研究(jiu)該方法在現場(chǎng)在線檢測中的(de)影響因素和👄解(jiě)決方案。
2外夾式(shi)超聲波流量計(ji)作爲标準表對(dui)測量的影響量(liang)
　　 外夾式超聲波(bo)流量計因其攜(xié)帶和使用方便(biàn),廣泛應用于純(chun)淨水、污水、油品(pǐn)等其他液體介(jiè)質和天然氣、空(kong)氣等氣體介質(zhi)的測量。”外夾式(shi)超聲波流量計(jì)在實際🤩檢測過(guo)程中應用了時(shi)差法原🧑🏾‍🤝‍🧑🏼理,實現(xiàn)對流量的測量(liang)。時差法在實際(jì)應用♉時，對時差(chà)分辨力的要求(qiú)較高。随着檢測(cè)技術的發展,特(tè)别💋是時間測量(liàng)技術的不斷更(gèng)新升級,外夾式(shi)超聲波流量計(jì)流量♻️的測量誤(wu)差越來越小。電(dian)磁流量計的誤(wu)差一般在3%~5%之間(jian),而外夾式超聲(shēng)波流量計的最(zui)大允許誤差可(kě)以達到1%,甚至更(gèng)小。因此,采用外(wai)夾式超聲波流(liú)量計對其進行(háng)校準滿足三分(fen)之一原則，是切(qiē)實可行的。
　　根據(ju)平時工作中使(shi)用經驗以及對(dui)相關專業資料(liào)的研✊究,總結分(fèn)析得出,選用外(wai)夾式超聲波流(liu)量計作爲标準(zhǔn)表時,若超📞聲波(bō)流量計安裝現(xian)場所需的⭕直管(guǎn)段滿足不同條(tiao)件下對直管長(zhǎng)度的要求,那麽(me)對測量的影響(xiang)量主要有:外夾(jiá)式超聲波流量(liang)計的💘最大允許(xǔ)誤差外夾式超(chāo)聲波流量計換(huàn)能器安裝⛱️、管道(dào)直徑測量。
2.1外夾(jiá)式超聲波流量(liang)計的最大允許(xǔ)誤差
　　外夾式超(chāo)聲波流量計因(yin)其安裝簡便、測(cè)量方便的特☎️點(dian),已📞成🏒爲最常用(yong)的在線檢測設(shè)備。它是将一對(dui)換能器外📞夾在(zài)測量管道上,互(hù)相發射接收超(chāo)聲波.信号,聲🎯波(bo)在檢定介質中(zhōng)順流、逆流行進(jìn)--段距離，通過兩(liang)次行進時間的(de)比較,确定被測(ce)介質的流速。根(gen)🤞據JJG1030-2007《超聲流量計(jì)檢定規程》可知(zhi)，最大允許誤差(chà)分爲:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于電(diàn)磁流量計的在(zai)線測量,則需選(xuǎn)用最大允⛷️許誤(wu)差小于等于±1.0%的(de)外夾式超聲波(bō)流量計。
2.2外夾式(shì)超聲波流量計(jì)換能器安裝
2.2.1換(huàn)能器安裝方式(shì)
　　換能器安裝方(fang)式通常有Z法、V法(fa)、X法、W法等,應根據(ju)使用說明⭐書💛并(bing)結合現場條件(jian)選擇最恰當的(de)安裝方式,換能(neng)🌂器安裝方❓式示(shi)意圖💯如圖1所示(shì)。例如,當流體平(píng)🔞行于管軸流動(dòng)時,通常可采用(yong)Z法;當流體流動(dong)方向與管軸不(bu)平行時,可采用(yong)V法或者X法;當管(guǎn)⭐道長度有限時(shí)，使用X法可獲得(de)較好🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的精度等(děng)。目前，可測的最(zui)小管徑爲φ25mm,采用(yòng)V法或W法以擴大(dà)聲程長度,增加(jiā)順逆向聲傳播(bō)時間。而乙法一(yi)般用于φ50mm以上管(guan)道。
 
2.2.2換能器安裝(zhuāng)位置
　　換能器安(an)裝的測量管軸(zhou)線應盡可能與(yu)管道軸線一緻(zhi),并且需保證管(guan)内充滿液體，兩(liǎng)換能器之間的(de)🌈測量管軸🍉線方(fāng)向距離L需通過(guò)計算确定,并通(tōng)過鋼🌈直尺在被(bei)測管道上測量(liang)出測量管軸線(xian)方向的距離,将(jiang)兩換♻️能器安裝(zhuang)到位。同時,需注(zhu)意耦合劑的用(yòng)量,确保換能器(qì)與測量管道要(yào)耦合好。并且保(bao)證換能器表面(mian)的❗清潔,若表面(miàn)污物🈲較多，則會(hui)影響正常🔞的測(ce)量。大口徑管道(dao)測量時一般選(xuǎn)擇Z法安裝,安裝(zhuang)時一對換能器(qì)管道軸向安裝(zhuang)距離和管道圓(yuan)周方向安裝角(jiao)度是否正确,直(zhí)接關系到超聲(shēng)波流量計🈲流量(liàng)計量正确與🈲否(fǒu)。目前🏒，超聲波流(liú)量計換能器在(zai)㊙️軸向方向安🌈裝(zhuāng)誤差給流量測(ce)量結果帶來的(de)誤差已通過大(da)量實驗數據得(dé)出,如日本富士(shì)公司稱,超💋聲波(bo)流量計軸向安(ān)裝偏差1mm,會給流(liu)量測量結果帶(dai)🔴來0.3%的測量誤差(cha)。同時,圓周方向(xiang)的安裝誤差會(hui)影響🔆--對換能器(qi)的超聲波接受(shou)強度♈,從而影響(xiang)流量測量結果(guǒ)(但現尚無直接(jie)數據引用)。在超(chāo)聲波實際測量(liang)過程中，被測🤟管(guan)線外部塗✂️層、管(guan)道鏽蝕以及測(ce)試地♻️點狹小等(deng)問題，,給換能器(qi)的正确安裝造(zao)成很大的🌏困難(nan)。一條‼️DN800mm的輸水管(guǎn)線Z法安裝爲例(li)，其換能器安⚽裝(zhuang)标準距離爲365mm,而(er)實際安裝過程(chéng)中,軸線方向安(an)裝偏差甚至達(da)到㊙️10mm(若管道外側(ce)鏽蝕🌐嚴重,安裝(zhuāng)誤差甚至💔更大(dà)),根據經驗用公(gōng)式推算,由安裝(zhuāng)誤差‼️引起的流(liu)量偏📧差達到3.0%,遠(yuan)超過超聲波流(liu)量計儀💔表本身(shēn)最大允許誤差(cha)1.0%。
2.3管道直徑測量(liang)
2.3.1管道外徑測量(liang)
　　管道直徑可采(cai)用現場測量結(jie)合現場資料确(que)認的方法,按照(zhao)JJF(蘇🌐)228-2019《電磁流量計(ji)在線校準規範(fan)》的規定,可以采(cai)用不低于1級鋼(gang)卷尺進行現場(chang).測量,1級鋼卷尺(chi)的最大允許誤(wù)差爲±0.1mm±10-4L,但現場采(cai)用的是鋼卷尺(chǐ)測量管道周長(zhang)後計算得👄出管(guan)道的直徑,因此(cǐ),所引入的誤差(chà)至少在0.1%~0.2%。對于1m的(de)管徑直徑,引入(ru)的誤差可達到(dao)(1~2)mm。對于管道直徑(jing)💛比較小的測量(liàng),建議測量時可(ke)采用π尺等更精(jīng)确的測量儀器(qi)來進行測量。
2.3.2管(guan)道内徑測量
　　管(guan)道内徑的數值(zhí)是通過管道外(wài)徑測量值減去(qu)管徑壁厚獲得(de)。管徑壁厚是采(cai)用超聲波測厚(hou)儀在換🌂能器5個(gè)不㊙️同位置進🌍行(háng)測⛱️量後取平均(jun1)值。超聲波測厚(hou)儀是根據超😄聲(sheng)波在✍️已知固☎️體(tǐ)材料中傳播的(de)速度和傳播的(de)時間來測量出(chu)試件的厚度。因(yin)此管道的材質(zhì)必須正确,同時(shi),測量時應保證(zheng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻測量表面的光(guāng)滑性,當被測表(biao)面的粗糙度較(jiao)大時,則會影響(xiǎng)耦合效果,從而(ér)造成♊測量數據(ju)的偏差。
3解決方(fang)案
　　本文介紹一(yī)種基于磁阻掃(sao)描技術的流量(liàng)在線測量系統(tǒng)🔞。通過機械自動(dong)化、傳感器技術(shu),結合幾何算法(fǎ)對數據進行采(cǎi)集與處理,獲得(dé)管道參數、控制(zhi)超聲換能器的(de)自動定位安裝(zhuang),并采用标準表(biǎo)法實現對流量(liàng)計的在線校🤩準(zhun)。
　　該系統主要由(you)外徑測量單元(yuán)、測量管軸線運(yùn)動單元、測量管(guan)圓🧑🏾‍🤝‍🧑🏼周運動單元(yuan)和軟件系統組(zǔ)成,如圖2所示。由(you)外徑測量單元(yuán)💜結合超聲波測(ce)厚儀的測量數(shu)據,可以确定管(guǎn)💘道内外徑的數(shù)據,通過在智能(néng)行走單.元上安(ān)裝超聲換💋能器(qi),使用自主開發(fā)軟件控制🔞超聲(sheng)換能器自動運(yun)行至指定位置(zhi),實現超聲換能(neng)器自動定位、運(yun)行和安裝,以減(jiǎn)少由探頭安裝(zhuang)誤差引起的流(liu)量測量誤差。其(qi)主要應用于對(duì) 大口徑電磁流(liú)量計 的現場校(xiào)準,能較大提升(sheng)在線檢測精度(du),爲流量計🥰的正(zhèng)✏️确計🍓量提供技(jì)術保障。
 
3.1便攜式(shì)時差法超聲波(bo)流量計
　　本項目(mù)中的便攜式時(shí)差法超聲波流(liú)量計可測量流(liu)速⚽範❓圍(0.01~25)m/s,精度等(děng)級1.0級。
3.2内1外徑測(ce)量單元
3.2.1外徑測(ce)量
　　外徑測量采(cai)用弓高弦長法(fǎ),根據設計量程(cheng)的需要,可測量(liang)管徑爲DN(500~2900)mm。.
　　外徑測(ce)量設計原理如(rú)圖3所示，圖中R爲(wei)目标測量對象(xiàng),A、B兩點爲設備觸(chu)點,A和B的主體支(zhī)架采用固定支(zhi)架,其中AB之間的(de)距✍️離爲固定💞值(zhí)D,Y1爲伸縮量尺,Y2爲(wèi)縮進距📱離。
 
　　其中(zhong)測量活動軸采(cǎi)用機械式活動(dong)原理,隻要通過(guo)測量✔️伸縮量尺(chǐ)Y1縮進距離Y2即可(ke)得出最終目标(biāo)R的實際數值。Y1爲(wèi)活動量尺🈚，具有(you)彈性結構,可通(tōng)過容栅位移傳(chuan)感器實現對Y2的(de)精準測量,保證(zhèng)精度≥0.lmm以上測量(liang)誤差。該部分通(tong)過位移傳感器(qì)進行模拟數據(ju)獲取,進而通過(guò)AD數據轉換最終(zhōng)獲得數字信✨号(hào)數據,并傳遞到(dao)軟件中🙇🏻顯示。
3.2.2内(nèi)徑數據
　　管道内(nei)徑的數值是通(tong)過管道外徑測(ce)量值減去管徑(jìng)壁厚獲得。管徑(jing)壁厚仍然采用(yòng)超聲波測厚儀(yí)進行測量,将🏃所(suo)測數據輸人軟(ruan)件中，顯示内徑(jing)的數據值。
3.3測量(liàng)管軸線運動單(dan)元
　　測量管軸線(xiàn)運動單元主要(yào)實現對兩個換(huàn)能器測量管軸(zhou)線方向上運動(dòng)距離的控制和(hé)定位,主要由運(yun).動驅動部分和(he)定位部分組成(cheng)。驅動部分使用(yòng)步進電.機控制(zhi)精密絲杆,帶動(dong)兩個換能🈲器運(yun)動,實現測量管(guǎn)軸📱線方向運動(dòng),保證運動精度(du)士1mm;測量管軸線(xiàn)方向運動定位(wei)部分采用鋁合(hé)金運動滑軌上(shang)安裝磁栅，通過(guò)傳❗感器讀取兩(liǎng)個換能器之間(jiān)的相對🍉距離,确(que)保定位的正确(que)率。
3.4測量管圓周(zhou)運動單元
　　測量(liàng)管圓周運動單(dan)元主要是實現(xiàn)對兩個換能器(qi)🏃在圓周👄方向上(shang)運動的控制和(he)定位。換能器在(zai)圓周方向🏃🏻‍♂️上的(de)💘運動是采用機(jī)械手臂來控制(zhi)。V法、W法的換能器(qi)安裝是不需要(yào)進行圓周運動(dòng)的。Z法的換能器(qi)安裝,若圓周_上(shang)的圓心角是180°,則(zé)在機械手臂上(shàng)安裝⁉️角度傳感(gǎn)器🐇,确保兩換能(néng)器各運動的角(jiǎo)度爲90°,即到達指(zhǐ)定的位置。
3.5軟件(jiàn)系統
　　軟件系統(tong)可以顯示外徑(jìng)測量值.内徑測(ce)量值、X軸運動坐(zuò)标、圓周運動角(jiao)度、流量測量值(zhi)。同時,通過軟件(jian)的調💚節可以控(kong)制換能器在X軸(zhou)方向的運動和(he)圓周方向的🌈運(yùn)動。
4結束語
　　該系(xì)統設計了一組(zǔ)精度高的機械(xie)化運動結構和(hé)一㊙️套高🌐效的綜(zōng)合軟件系統,實(shi)現了流量的自(zi)動化測量🏃‍♂️。利用(yong)磁阻感應技術(shù)🏒對管線進行立(lì)體式定位分析(xi),建立三維模型(xing)。通過三維建模(mo)實現了雙換能(néng)器.自動可視化(hua)立體三維定位(wèi),對超聲波流量(liang)計換💃能器進行(hang)正确定位傳送(sòng),流量計進行測(cè)量後,傳輸各類(lei)數據至綜合軟(ruǎn)件系統,并自動(dòng)測得流量數值(zhi)。該系統改😄變了(le)以往測量中隻(zhi)能人爲手工測(cè)算和安裝的現(xiàn)狀,不再隻依靠(kao)技術人員的經(jīng)驗,而是通過數(shù)字化的自動控(kòng)制🤩系統操控，完(wán)成了流量計的(de)定位、安裝、檢測(ce)、計算,降低了對(duì)技術人員🌈操作(zuò)經驗和能力的(de)要求,提升了檢(jian)測㊙️效率。作爲一(yi)種自動在線測(ce)量的計量器具(jù),其發揮的效果(guǒ)将是帶動整個(gè)相關行業的發(fā)展,爲流體計量(liang)在線測量的應(ying)用發展提供更(geng)加标準科學的(de)應用參考,既爲(wèi)社會帶來較好(hǎo)的效益,又極大(da)🔱地推動了🧡整個(gè)社會相關行業(ye)的進步和發展(zhan)。

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