摘要(yao):本文介紹了使用(yong) 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(gai)方法過程中對測(cè)量結果👅的影響量(liàng)，設計并制作了一(yī)種基于磁阻掃描(miao)技術的流量在線(xian)測量系統,通過實(shí)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(yi)義
　　電磁流量計在(zai)線檢測是近年來(lái)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(an)裝在自來水輸水(shuǐ)、地表水取水、污水(shui)排放等管線上，以(yi)實現管線流量的(de)實時計量。安裝在(zài)這-類管線上的電(diàn)磁流量計,其♋口徑(jing)從(DN500~DN2000)mm不等。這類流量(liàng)計不僅體積龐大(dà),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(ce)，就需要關閉儀表(biǎo)前段閥門。而關閉(bi)閥門就會造成管(guan)線停水，嚴重影響(xiǎng)居💯民生活和企業(yè)生産。例如,安裝一(yī)台公稱直徑爲DN500mm的(de)電磁流量🔴計的自(zì)來水管線,需要供(gòng)給一個鄉鎮的生(sheng)活用水,如因流量(liang)計送檢關閉管道(dao)若幹天,造成幾萬(wan)名♈居民無法正常(cháng)用水,勢必産生較(jiào)大的社會影響。
　　除(chu)此之外,自來水、污(wū)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(kao)慮流量儀表☎️拆卸(xiè)送檢的需求，拆卸(xiè)空間嚴重受限,從(cóng)而導緻此類儀表(biao)無法拆卸送檢。因(yin)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(néng)也難以得到保證(zheng)。在貿㊙️易交接中，雙(shuang)🏃🏻‍♂️方在交易量出現(xiàn)較大分歧時,由于(yu)沒有可靠♍的測量(liàng)數據做依據,因此(ci)損害了雙方的經(jing)濟利益。近幾年，随(sui)着相關企業精細(xi)化管理要求的提(tí)高,其對大口徑流(liu)量計儀表在線♋檢(jiǎn)定、檢測的需求也(yě)變得愈🐉發強烈。
　　目(mu)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(bo)流量計作爲标準(zhun)表;使用串聯移動(dòng)式校準裝置⭕作爲(wèi)标準表稱重法。其(qi)中,使用 便攜式時(shi)差法超聲波流量(liang)計 作爲标準表時(shi),測量的管徑範圍(wéi)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(xiǎng)因💞素和解決方案(àn)。
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(ji)檢測過程中應用(yòng)了時差法原理,實(shi)現對流量的測量(liàng)。時差法在實際應(ying)用時，對時差⛷️分辨(bian)力的要求較高。随(suí)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(chao)聲波流量計流量(liang)的測量誤差越來(lai)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(shēng)🌈波流量計的最大(da)💃🏻允許誤差可⛷️以達(dá)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(fèn)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(ye)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(shi),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(zhǎng)度的要求,那麽對(dui)測量的影響量主(zhǔ)要有:外夾式超聲(sheng)波流量計的最大(dà)允許誤差外夾式(shi)超聲波流量計換(huàn)能器安裝、管道直(zhí)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(ji)因其安裝簡便、測(cè)量方便的特點,已(yi)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(shang),互相發射接收超(chāo)聲波.信号,聲波在(zài)檢定介質中順流(liú)、逆流行進--段距離(lí)，通過兩次行進時(shi)間的♋比較,确定被(bei)測介質的流速。根(gen)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(wài)夾式超聲波🤞流量(liàng)計。
2.2外夾式超聲波(bō)流量計換能器安(ān)裝
2.2.1換能器安裝方(fang)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(xian)場條件選擇最恰(qià)當的安裝方式🐉,換(huàn)能⛹🏻‍♀️器安裝方式示(shì)意圖🔆如圖1所示。例(lì)如,當流體平行于(yu)管軸流動時,通常(cháng)可采用Z法;當流體(ti)流動方向與管軸(zhóu)不平行時,可采用(yòng)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(da)☔聲程長度,增加順(shun)逆⚽向聲傳播時間(jian)。而乙法一般用于(yú)φ50mm以上管道。
 
2.2.2換能器(qi)安裝位置
　　換能器(qì)安裝的測量管軸(zhóu)線應盡可能與管(guan)道軸線一緻,并💚且(qiě)需保證管内充滿(man)液體，兩換能器之(zhi)間的測量管軸線(xian)方向距離L需通過(guo)計算确定,并通過(guò)鋼直尺在被測管(guan)道上測㊙️量出測量(liàng)管軸線方向的距(ju)離,将兩換能器安(ān)裝到位。同時💃🏻,需注(zhù)意耦合劑的用量(liang),确保換能器與測(cè)量管道要耦合好(hao)。并且保證換能器(qì)表面的清潔,若表(biao)面污物較多，則會(hui)影響正常👨‍❤️‍👨的測量(liàng)。大🌈口徑管道測量(liang)💔時一般選擇Z法安(ān)裝,安裝👉時一對換(huan)能器管道🔞軸向安(ān)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(liàng)計🍉流量計量正确(que)與否。目前，超聲波(bō)流量計換能器在(zài)🐇軸向方向安裝誤(wù)差給流量測量結(jie)果帶來的誤差🔅已(yi)通🆚過大量實驗數(shù)據得出,如日💰本富(fu)士公司稱,超聲波(bo)流量🏃‍♂️計軸向安裝(zhuāng)偏差1mm,會給流量🏃‍♀️測(ce)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(chà)會影👄響--對換能器(qì)的超聲波😘接受強(qiang)度,從而影響流量(liàng)測量結果🎯(但現尚(shàng)無直接數據引用(yong))。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(gěi)換🔆能器的正确安(ān)🙇🏻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(qi)換能器安裝标準(zhun)距離爲365mm,而實際安(an)裝過程中,軸線方(fang)向安👨‍❤️‍👨裝偏差甚至(zhì)達到🌈10mm(若管道外側(cè)鏽蝕👣嚴重,安裝誤(wu)差甚至更大),根據(ju)經驗用公式推算(suàn),由安裝誤差引起(qi)的流量偏🏃差達到(dào)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(dao)直徑測量
2.3.1管道外(wai)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(sū)📧)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(yu)🌍1級鋼卷尺進行現(xiàn)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(guan)道周長後計算得(dé)出管道的直徑,因(yīn)此,所引入的誤差(cha)至少在0.1%~0.2%。對于1m的管(guǎn)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(shí)可采用🐅π尺等更精(jing)确的測☀️量儀器來(lái)進行測量。
2.3.2管道内(nei)徑測量
　　管道内徑(jìng)的數值是通過管(guan)道外徑測量值減(jian)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(wei)置進行測量後取(qǔ)平均值。超聲波測(ce)厚儀是根據超🔴聲(shēng)波在已知固體材(cai)料中傳播的速度(du)和傳播的時間來(lái)✍️測量出試件的厚(hòu)度。因此管道的材(cai)質必須正确,同時(shí),測量時應保證🔴測(ce)量表面的✔️光滑性(xìng),當被測表面的粗(cū)糙度💞較大時,則會(hui)影響耦合效果,從(cong)而造成測量數據(jù)的偏差。
3解決方案(àn)
　　本文介紹一種基(ji)于磁阻掃描技術(shù)的流量在線測量(liàng)系統🌈。通過機械自(zi)動化、傳感器技術(shu),結合幾何算法對(duì)數據進行采集🏃🏻與(yu)處理,獲得管道參(can)數、控制超🌈聲換能(neng)器的自動定位安(ān)裝,并采用标準表(biǎo)法實現對流量計(jì)的在線校☔準。
　　該系(xì)統主要由外徑測(cè)量單元、測量管軸(zhou)線運動單元、測量(liang)管圓周運動單元(yuán)和軟件系統組成(cheng),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(dìng)管道内外徑的數(shu)據,通過在智能行(hang)走單.元上安裝超(chao)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(zhì),實👈現超聲換能器(qi)自動定位🌈、運行和(hé)安裝,以減少由探(tàn)頭安裝誤差引起(qi)的流量測量誤差(chà)。其主要應用于對(duì) 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(chāo)聲波流量計可測(ce)量流🌐速範㊙️圍(0.01~25)m/s,精度(du)等級1.0級。
3.2内1外徑測(ce)量單元
3.2.1外徑測量(liang)
　　外徑測量采用弓(gōng)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(jing)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(gu)定支架,其中♉AB之間(jian)的距離爲固定值(zhi)D,Y1爲伸縮量尺,Y2爲縮(suo)進距離。
 
　　其中測量(liàng)活動軸采用機械(xie)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(wei)移傳感器實現對(duì)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(mó)拟數據獲取,進而(er)通過AD數據轉換最(zuì)終獲得數字信号(hào)數據,并傳💋遞到軟(ruan)件中💔顯🧑🏾‍🤝‍🧑🏼示。
3.2.2内徑數(shù)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(jing)壁厚仍然采用超(chao)聲波測厚儀進行(hang)測量,将所測數據(jù)輸人軟件中，顯示(shi)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(cè)量管軸線方✔️向上(shang)運動距離的控制(zhi)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(qi)運動,實現🈚測量管(guǎn)軸線方向運動,保(bǎo)證運動精度士🔆1mm;測(ce)量管軸線方向運(yun)動定位部分采用(yong)鋁合金運動滑軌(gui)上安⭐裝磁栅，通過(guo)🤟傳感器讀取兩個(gè)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(guan)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(néng)器在圓周方向上(shang)的運動是采🚩用機(ji)💃🏻械手臂來控制。V法(fa)、W法的換能器安💋裝(zhuāng)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(que)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(ruan)件系統
　　軟件系統(tong)可以顯示外徑測(cè)量值.内徑測量值(zhi)、X軸運動坐标、圓周(zhou)運動角度、流量測(cè)量值。同時,通過軟(ruǎn)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(shù)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(cè)量。利用磁阻感應(yīng)技術對管線進行(háng)立體式定位分析(xī),建立三維模型。通(tōng)過三維建模實現(xiàn)了雙換能♈器.自動(dong)可✔️視化立體三維(wéi)定位,對超聲波流(liu)量計換能器進行(háng)正确定位傳送,流(liú)量計進行測量後(hòu),傳輸各類數據至(zhi)♈綜✔️合軟件系統,并(bìng)自動測得流量數(shu)值。該系統改變了(le)以往測量中隻能(néng)人爲手工測算和(hé)安裝的現狀,不再(zài)隻⚽依靠技術人員(yuán)的經驗,而是通過(guo)數字化的自動控(kong)制⭕系統操控，完成(cheng)了流量計的🐉定位(wèi)、安裝、檢測、計🌈算,降(jiàng)低了對技術人員(yuán)操作經驗❌和能力(li)的要求,提升了檢(jian)🆚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(yòng)發展提供更加标(biāo)準科學的應用參(cān)考,既爲社會帶來(lai)較好的效益,又極(jí)大地推動了整個(ge)社會相關行業的(de)進步和發展。

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