摘要:本文介绍了使用外夹式超声波流量计作为标准表对电磁流量计进行在线检测的方法.分析了使用该方法过程中对测量结果的影响量，设计并制作了一种基于磁阻扫描技术的流量在线测量系统,通过实验及调试结果,该系统可大幅度提升大口径流体测量的测量精度。
1流量在线检测的意义
电磁流量计在线检测是近年来流量仪表计量检测技术发展的一个重要方向。电磁流量计一般被安装在自来水输水、地表水取水、污水排放等管线上，以实现管线流量的实时计量。安装在这-类管线上的电磁流量计,其口径从(DN500~DN2000)mm不等。这类流量计不仅体积庞大,安装处还往往没有设置旁通管线。如要将该电磁流量计拆卸并送至实验室进行检测，就需要关闭仪表前段阀门。而关闭阀门就会造成管线停水，严重影响居民生活和企业生产。例如,安装一台公称直径为DN500mm的电磁流量计的自来水管线,需要供给一个乡镇的生活用水,如因流量计送检关闭管道若干天,造成几万名居民无法正常用水,势必产生较大的社会影响。
除此之外,自来水、污水、地表水输水管线大都埋入地下,计量仪表一-般安装在1m见方的设备井中,设计时未考虑流量仪表拆卸送检的需求，拆卸空间严重受限,从而导致此类仪表无法拆卸送检。因此,实践中存在较多流量计自安装后就未再检定或校准,其计量性能也难以得到保证。在贸易交接中，双方在交易量出现较大分歧时,由于没有可靠的测量数据做依据,因此损害了双方的经济利益。近几年，随着相关企业精细化管理要求的提高,其对大口径流量计仪表在线检定、检测的需求也变得愈发强烈。
目前,对电磁流量计的在线测量主要有三种方式，即:使用外夹式超声波流量计作为标准表;使用串联移动式校准装置作为标准表称重法。其中,使用便携式时差法超声波流量计作为标准表时,测量的管径范围较大,使用范围较广。本文重点研究该方法在现场在线检测中的影响因素和解决方案。
2外夹式超声波流量计作为标准表对测量的影响量
外夹式超声波流量计因其携带和使用方便,广泛应用于纯净水、污水、油品等其他液体介质和天然气、空气等气体介质的测量。”外夹式超声波流量计在实际检测过程中应用了时差法原理,实现对流量的测量。时差法在实际应用时，对时差分辨力的要求较高。随着检测技术的发展,特别是时间测量技术的不断更新升级,外夹式超声波流量计流量的测量误差越来越小。电磁流量计的误差一般在3%~5%之间,而外夹式超声波流量计的最大允许误差可以达到1%,甚至更小。因此,采用外夹式超声波流量计对其进行校准满足三分之一原则，是切实可行的。
根据平时工作中使用经验以及对相关专业资料的研究,总结分析得出,选用外夹式超声波流量计作为标准表时,若超声波流量计安装现场所需的直管段满足不同条件下对直管长度的要求,那么对测量的影响量主要有:外夹式超声波流量计的最大允许误差外夹式超声波流量计换能器安装、管道直径测量。
2.1外夹式超声波流量计的最大允许误差
外夹式超声波流量计因其安装简便、测量方便的特点,已成为最常用的在线检测设备。它是将一对换能器外夹在测量管道上,互相发射接收超声波.信号,声波在检定介质中顺流、逆流行进--段距离，通过两次行进时间的比较,确定被测介质的流速。根据JJG1030-2007《超声流量计检定规程》可知，最大允许误差分为:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于电磁流量计的在线测量,则需选用最大允许误差小于等于±1.0%的外夹式超声波流量计。
2.2外夹式超声波流量计换能器安装
2.2.1换能器安装方式
换能器安装方式通常有Z法、V法、X法、W法等,应根据使用说明书并结合现场条件选择最恰当的安装方式,换能器安装方式示意图如图1所示。例如,当流体平行于管轴流动时,通常可采用Z法;当流体流动方向与管轴不平行时,可采用V法或者X法;当管道长度有限时，使用X法可获得较好的精度等。目前，可测的最小管径为φ25mm,采用V法或W法以扩大声程长度,增加顺逆向声传播时间。而乙法一般用于φ50mm以上管道。
2.2.2换能器安装位置
换能器安装的测量管轴线应尽可能与管道轴线一致,并且需保证管内充满液体，两换能器之间的测量管轴线方向距离L需通过计算确定,并通过钢直尺在被测管道上测量出测量管轴线方向的距离,将两换能器安装到位。同时,需注意耦合剂的用量,确保换能器与测量管道要耦合好。并且保证换能器表面的清洁,若表面污物较多，则会影响正常的测量。大口径管道测量时一般选择Z法安装,安装时一对换能器管道轴向安装距离和管道圆周方向安装角度是否正确,直接关系到超声波流量计流量计量正确与否。目前，超声波流量计换能器在轴向方向安装误差给流量测量结果带来的误差已通过大量实验数据得出,如日本富士公司称,超声波流量计轴向安装偏差1mm,会给流量测量结果带来0.3%的测量误差。同时,圆周方向的安装误差会影响--对换能器的超声波接受强度,从而影响流量测量结果(但现尚无直接数据引用)。在超声波实际测量过程中，被测管线外部涂层、管道锈蚀以及测试地点狭小等问题，,给换能器的正确安装造成很大的困难。一条DN800mm的输水管线Z法安装为例，其换能器安装标准距离为365mm,而实际安装过程中,轴线方向安装偏差甚至达到10mm(若管道外侧锈蚀严重,安装误差甚至更大),根据经验用公式推算,由安装误差引起的流量偏差达到3.0%,远超过超声波流量计仪表本身最大允许误差1.0%。
2.3管道直径测量
2.3.1管道外径测量
管道直径可采用现场测量结合现场资料确认的方法,按照JJF(苏)228-2019《电磁流量计在线校准规范》的规定,可以采用不低于1级钢卷尺进行现场.测量,1级钢卷尺的最大允许误差为±0.1mm±10-4L,但现场采用的是钢卷尺测量管道周长后计算得出管道的直径,因此,所引入的误差至少在0.1%~0.2%。对于1m的管径直径,引入的误差可达到(1~2)mm。对于管道直径比较小的测量,建议测量时可采用π尺等更精确的测量仪器来进行测量。
2.3.2管道内径测量
管道内径的数值是通过管道外径测量值减去管径壁厚获得。管径壁厚是采用超声波测厚仪在换能器5个不同位置进行测量后取平均值。超声波测厚仪是根据超声波在已知固体材料中传播的速度和传播的时间来测量出试件的厚度。因此管道的材质必须正确,同时,测量时应保证测量表面的光滑性,当被测表面的粗糙度较大时,则会影响耦合效果,从而造成测量数据的偏差。
3解决方案
本文介绍一种基于磁阻扫描技术的流量在线测量系统。通过机械自动化、传感器技术,结合几何算法对数据进行采集与处理,获得管道参数、控制超声换能器的自动定位安装,并采用标准表法实现对流量计的在线校准。
该系统主要由外径测量单元、测量管轴线运动单元、测量管圆周运动单元和软件系统组成,如图2所示。由外径测量单元结合超声波测厚仪的测量数据,可以确定管道内外径的数据,通过在智能行走单.元上安装超声换能器,使用自主开发软件控制超声换能器自动运行至指定位置,实现超声换能器自动定位、运行和安装,以减少由探头安装误差引起的流量测量误差。其主要应用于对大口径电磁流量计的现场校准,能较大提升在线检测精度,为流量计的正确计量提供技术保障。
3.1便携式时差法超声波流量计
本项目中的便携式时差法超声波流量计可测量流速范围(0.01~25)m/s,精度等级1.0级。
3.2内1外径测量单元
3.2.1外径测量
外径测量采用弓高弦长法,根据设计量程的需要,可测量管径为DN(500~2900)mm。.
外径测量设计原理如图3所示，图中R为目标测量对象,A、B两点为设备触点,A和B的主体支架采用固定支架,其中AB之间的距离为固定值D,Y1为伸缩量尺,Y2为缩进距离。
其中测量活动轴采用机械式活动原理,只要通过测量伸缩量尺Y1缩进距离Y2即可得出最终目标R的实际数值。Y1为活动量尺，具有弹性结构,可通过容栅位移传感器实现对Y2的精准测量,保证精度≥0.lmm以上测量误差。该部分通过位移传感器进行模拟数据获取,进而通过AD数据转换最终获得数字信号数据,并传递到软件中显示。
3.2.2内径数据
管道内径的数值是通过管道外径测量值减去管径壁厚获得。管径壁厚仍然采用超声波测厚仪进行测量,将所测数据输人软件中，显示内径的数据值。
3.3测量管轴线运动单元
测量管轴线运动单元主要实现对两个换能器测量管轴线方向上运动距离的控制和定位,主要由运.动驱动部分和定位部分组成。驱动部分使用步进电.机控制精密丝杆,带动两个换能器运动,实现测量管轴线方向运动,保证运动精度士1mm;测量管轴线方向运动定位部分采用铝合金运动滑轨上安装磁栅，通过传感器读取两个换能器之间的相对距离,确保定位的正确率。
3.4测量管圆周运动单元
测量管圆周运动单元主要是实现对两个换能器在圆周方向上运动的控制和定位。换能器在圆周方向上的运动是采用机械手臂来控制。V法、W法的换能器安装是不需要进行圆周运动的。Z法的换能器安装,若圆周_上的圆心角是180°,则在机械手臂上安装角度传感器,确保两换能器各运动的角度为90°,即到达指定的位置。
3.5软件系统
软件系统可以显示外径测量值.内径测量值、X轴运动坐标、圆周运动角度、流量测量值。同时,通过软件的调节可以控制换能器在X轴方向的运动和圆周方向的运动。
4结束语
该系统设计了一组精度高的机械化运动结构和一套高效的综合软件系统,实现了流量的自动化测量。利用磁阻感应技术对管线进行立体式定位分析,建立三维模型。通过三维建模实现了双换能器.自动可视化立体三维定位,对超声波流量计换能器进行正确定位传送,流量计进行测量后,传输各类数据至综合软件系统,并自动测得流量数值。该系统改变了以往测量中只能人为手工测算和安装的现状,不再只依靠技术人员的经验,而是通过数字化的自动控制系统操控，完成了流量计的定位、安装、检测、计算,降低了对技术人员操作经验和能力的要求,提升了检测效率。作为一种自动在线测量的计量器具,其发挥的效果将是带动整个相关行业的发展,为流体计量在线测量的应用发展提供更加标准科学的应用参考,既为社会带来较好的效益,又极大地推动了整个社会相关行业的进步和发展。
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