摘要(yao):本文介紹(shao)了使用 外(wai)夾式超聲(sheng)波流量計(ji) 作爲标準(zhun)表對 電磁(ci)流量計 進(jin)行在線檢(jian)測的方法(fa).分析了使(shi)用該方法(fa)過程中對(dui)🧡測量結果(guo)的影響量(liang)，設計并制(zhi)作了一種(zhong)基于磁阻(zu)掃❄️描技⛷️術(shu)的✔️流量在(zai)線測量系(xi)統,通過實(shi)驗及調試(shi)結果,該系(xi)統可大幅(fu)🍓度提升大(da)口徑流體(ti)測量的測(ce)量精度。
1流(liu)量在線檢(jian)測的意義(yi)
　　電磁流量(liang)計在線檢(jian)測是近年(nian)來流量儀(yi)表計量檢(jian)測技術發(fa)展的一個(ge)重要方向(xiang)。電磁流量(liang)計一般被(bei)安裝在自(zi)來水❤️輸水(shui)、地表水取(qu)水、污水排(pai)放等管線(xian)上，以實現(xian)管線流量(liang)的👨‍❤️‍👨實時計(ji)量。安裝在(zai)這-類管線(xian)上的電磁(ci)流量計,其(qi)口徑從(DN500~DN2000)mm不(bu)等。這類流(liu)量計不僅(jin)♌體積龐大(da),安裝處還(hai)往往🐅沒有(you)設置旁通(tong)管線。如要(yao)🏃将該電磁(ci)流量計拆(chai)卸并送至(zhi)實驗室進(jin)行檢測，就(jiu)需要關閉(bi)儀表前段(duan)閥門。而關(guan)閉閥門就(jiu)會造成管(guan)線停水，嚴(yan)重影響居(ju)🚩民生活和(he)企業生産(chan)。例如,安裝(zhuang)一台公稱(cheng)直徑爲DN500mm的(de)電磁流量(liang)🔴計的自來(lai)水管⭐線,需(xu)要供給一(yi)個鄉鎮的(de)生活🛀🏻用水(shui),如因流量(liang)👅計送檢關(guan)❄️閉管道若(ruo)幹天,造成(cheng)幾萬名👅居(ju)民無法正(zheng)常用水,勢(shi)♊必産生較(jiao)大的社會(hui)影響。
　　除此(ci)之外,自來(lai)水、污水、地(di)表水輸水(shui)管線大都(dou)埋入地下(xia),計🈲量儀表(biao)一-般安裝(zhuang)在1m見方的(de)設備井中(zhong),設計時未(wei)考慮流量(liang)儀表拆卸(xie)送檢的需(xu)求，拆卸空(kong)間嚴重受(shou)限,從而導(dao)緻此類儀(yi)表無法拆(chai)卸送檢。因(yin)此,實踐中(zhong)存在☎️較多(duo)流量計自(zi)安裝後就(jiu)未再檢定(ding)或校準,其(qi)計量性能(neng)也難以得(de)到保證。在(zai)貿易交接(jie)中，雙🈲方在(zai)交易量🔞出(chu)現較大分(fen)歧時,由于(yu)沒有可靠(kao)的測量數(shu)據做依據(ju),因此損害(hai)了雙方的(de)經濟利益(yi)。近幾年，随(sui)着相關企(qi)業精細化(hua)管理要求(qiu)的提高,其(qi)對大口徑(jing)流量計儀(yi)表在線檢(jian)定、檢測的(de)需求也變(bian)得愈發強(qiang)烈。
　　目前,對(dui)電磁流量(liang)計的在線(xian)測量主要(yao)有三種方(fang)式，即:使用(yong)外夾式超(chao)聲波流量(liang)計作爲标(biao)準表;使用(yong)串聯移🤩動(dong)式校準裝(zhuang)置作爲标(biao)準表稱重(zhong)法。其中,使(shi)用 便攜式(shi)時差法超(chao)聲波流量(liang)計 作爲标(biao)準表時,測(ce)量的管徑(jing)範圍較大(da),使用範圍(wei)較廣。本文(wen)重點研究(jiu)該方法在(zai)現場在線(xian)檢測中的(de)影✊響因素(su)和解決⚽方(fang)案🏃‍♀️。
2外夾式(shi)超聲波流(liu)量計作爲(wei)标準表對(dui)測量的影(ying)響量
　　 外夾(jia)式超聲波(bo)流量計因(yin)其攜帶和(he)使用方便(bian),廣泛應用(yong)于純淨水(shui)、污水、油品(pin)等其他液(ye)體介質和(he)天然🌈氣、空(kong)氣等⛹🏻‍♀️氣體(ti)介質的測(ce)量。”外夾式(shi)超聲波流(liu)量計在實(shi)際檢測過(guo)程中應用(yong)了時差法(fa)原理,實現(xian)對流量的(de)測量。時差(cha)法在實際(ji)應用時，對(dui)時差分辨(bian)力的要求(qiu)較高。随着(zhe)檢測技術(shu)的發展,特(te)别是時間(jian)測量技術(shu)的不斷更(geng)💘新升級,外(wai)夾式超聲(sheng)波流量計(ji)流量的測(ce)量誤差越(yue)來越小。電(dian)磁流量計(ji)的誤差一(yi)般在3%~5%之間(jian),而外夾式(shi)超聲波流(liu)量計的最(zui)大允許誤(wu)差可以達(da)到1%,甚至更(geng)小。因此,采(cai)用外夾式(shi)超聲波流(liu)量計對其(qi)進行校準(zhun)滿足三分(fen)之一原則(ze)，是切實可(ke)行的。
　　根據(ju)平時工作(zuo)中使用經(jing)驗以及對(dui)相關專業(ye)資料的研(yan)究,總結分(fen)析得出,選(xuan)用外夾式(shi)超聲波流(liu)量計🔞作爲(wei)标準表時(shi),若超聲波(bo)流量計安(an)裝現場所(suo)需的直管(guan)段滿足不(bu)同條件下(xia)對直⭐管長(zhang)度的要求(qiu),那麽對測(ce)量的影響(xiang)量主要有(you):外夾式超(chao)聲波流量(liang)計的最大(da)允許誤差(cha)外夾式超(chao)聲波流量(liang)計換能器(qi)安裝、管道(dao)直徑測量(liang)🧡。
2.1外夾式超(chao)聲波流量(liang)計的最大(da)允許誤差(cha)
　　外夾式超(chao)聲波流量(liang)計因其安(an)裝簡便、測(ce)量方便的(de)🔞特點💜,已成(cheng)爲最常用(yong)的在線檢(jian)測設備。它(ta)是将一對(dui)換能器外(wai)夾在測量(liang)管道上,互(hu)相發射接(jie)收超聲波(bo).信号,聲波(bo)在檢定介(jie)質🌈中順流(liu)、逆流行進(jin)--段距離，通(tong)過兩次行(hang)進時間的(de)比較,确定(ding)✊被測介質(zhi)的流速。根(gen)💜據JJG1030-2007《超聲流(liu)量計檢定(ding)規程》可知(zhi)，最大允許(xu)誤差分爲(wei)🍉:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于電(dian)磁流量計(ji)的在線測(ce)量,則需選(xuan)用最大允(yun)許誤差小(xiao)㊙️于等于±1.0%的(de)外夾式超(chao)聲波流量(liang)計。
2.2外夾式(shi)超聲波流(liu)量計換能(neng)器安裝
2.2.1換(huan)能器安裝(zhuang)方式
　　換能(neng)器安裝方(fang)式通常有(you)Z法、V法、X法、W法(fa)等,應根據(ju)使用說明(ming)書并結👨‍❤️‍👨合(he)現場條件(jian)選擇最恰(qia)當的安裝(zhuang)方式🔆,換能(neng)器安裝方(fang)👣式示意圖(tu)如圖1所示(shi)。例如,當流(liu)體平♉行于(yu)管軸流動(dong)時,通常可(ke)采用⁉️Z法;當(dang)流🔱體流動(dong)方向與管(guan)軸不平行(hang)時,可采用(yong)V法或者X法(fa);當管道長(zhang)度有限時(shi)，使用X法可(ke)獲得較好(hao)💰的精度等(deng)。目前，可測(ce)的最♉小管(guan)徑爲φ25mm,采用(yong)V法或W法以(yi)擴大聲程(cheng)長度,增加(jia)✉️順逆向聲(sheng)傳播時間(jian)。而乙法一(yi)般用于φ50mm以(yi)上管道。
 
2.2.2換(huan)能器安裝(zhuang)位置
　　換能(neng)器安裝的(de)測量管軸(zhou)線應盡可(ke)能與管道(dao)軸線一緻(zhi),并且需保(bao)證管内充(chong)滿液體，兩(liang)換能器之(zhi)間的測量(liang)管軸線方(fang)向距離L需(xu)通過計算(suan)确定,并通(tong)過鋼👌直尺(chi)在被測管(guan)道上測量(liang)出測🌂量管(guan)軸🛀線方向(xiang)的距✔️離,将(jiang)兩換能器(qi)安裝☁️到位(wei)。同時,需注(zhu)意耦合劑(ji)的用量,确(que)保換能器(qi)與測量管(guan)道要耦合(he)好。并且保(bao)證換能器(qi)表面的清(qing)✂️潔,若表面(mian)污物🛀較多(duo)，則會影響(xiang)正常的測(ce)量。大口徑(jing)管道測量(liang)時一般選(xuan)㊙️擇Z法安裝(zhuang),安裝時一(yi)對換能器(qi)管道軸向(xiang)安裝距離(li)和管道圓(yuan)周方向安(an)裝角度是(shi)否正确🐇,直(zhi)接關系到(dao)超聲波流(liu)量計流量(liang)計量正确(que)與🧑🏾‍🤝‍🧑🏼否。目前(qian)🧡，超聲波流(liu)量計⛹🏻‍♀️換能(neng)器在軸向(xiang)方向安🔴裝(zhuang)誤差給流(liu)量測量結(jie)果帶來的(de)誤差💰已通(tong)過大量實(shi)驗數據得(de)出,如日❄️本(ben)富士公司(si)稱,超聲波(bo)流量計軸(zhou)向安裝偏(pian)差1mm,會給流(liu)量測🔞量結(jie)果帶來0.3%的(de)測量誤差(cha)。同時,圓周(zhou)方向的安(an)裝誤差會(hui)影響--對換(huan)能器的超(chao)聲波接受(shou)強度,從而(er)影響流量(liang)測量結果(guo)(但現尚無(wu)直接數據(ju)引用)。在超(chao)聲波實際(ji)測量過程(cheng)中，被測管(guan)線外部塗(tu)層、管道鏽(xiu)蝕以及💛測(ce)試地點狹(xia)小等問題(ti)，,給換能器(qi)的正确安(an)裝造成很(hen)大的困難(nan)。一條💃🏻DN800mm的輸(shu)水管線Z法(fa)安裝爲例(li)，其換♌能器(qi)安裝❓标準(zhun)距離爲365mm,而(er)實際📞安裝(zhuang)過程中,軸(zhou)🤟線方向安(an)裝偏差甚(shen)至達到10mm(若(ruo)管道外側(ce)鏽蝕嚴重(zhong),安裝誤差(cha)甚至更大(da)),根據經驗(yan)用公式推(tui)🐇算,由安裝(zhuang)誤差引起(qi)的流量偏(pian)差達到3.0%,遠(yuan)超過超聲(sheng)波流量計(ji)儀表本身(shen)最大允許(xu)誤🍉差1.0%。
2.3管道(dao)直徑測量(liang)
2.3.1管道外徑(jing)測量
　　管道(dao)直徑可采(cai)用現場測(ce)量結合現(xian)場資料确(que)認的方法(fa),按照JJF(蘇)228-2019《電(dian)磁流量計(ji)在線校準(zhun)規範》的規(gui)定,可🌈以采(cai)用不低于(yu)1級鋼卷尺(chi)進行現場(chang).測量,1級鋼(gang)卷尺🍉的最(zui)大允許誤(wu)差爲±0.1mm±10-4L,但現(xian)場采用的(de)是鋼卷尺(chi)測量管道(dao)周長後計(ji)算得出管(guan)道的☎️直徑(jing),因此,所引(yin)入的🍓誤差(cha)至少在💋0.1%~0.2%。對(dui)于1m的管徑(jing)直徑,引入(ru)的👣誤差可(ke)達到🎯(1~2)mm。對于(yu)管道直徑(jing)💚比較小的(de)測量,建議(yi)測量時可(ke)采用π尺等(deng)更精👨‍❤️‍👨确的(de)測量儀器(qi)來進行測(ce)量。
2.3.2管道内(nei)徑測量
　　管(guan)道内徑的(de)數值是通(tong)過管道外(wai)徑測量值(zhi)減去管徑(jing)壁💛厚獲🔞得(de)💘。管徑壁厚(hou)是采用超(chao)聲波測厚(hou)儀在換能(neng)器5個不🧑🏾‍🤝‍🧑🏼同(tong)位置進✏️行(hang)測量後取(qu)平均值。超(chao)聲波測厚(hou)儀是♉根據(ju)超聲波在(zai)🔞已知固體(ti)材料👅中傳(chuan)播的速度(du)和傳播的(de)時間來測(ce)量出試件(jian)的厚度。因(yin)此管道🔴的(de)材質必須(xu)正确,同時(shi),測量時應(ying)保證測量(liang)表面的❓光(guang)滑性,當被(bei)測表面的(de)粗糙度較(jiao)大時,則會(hui)影響耦🌈合(he)效果,從而(er)造成測量(liang)數據的偏(pian)差。
3解決方(fang)案
　　本文介(jie)紹一種基(ji)于磁阻掃(sao)描技術的(de)流量在線(xian)測量系統(tong)🥰。通過🆚機械(xie)自動化、傳(chuan)感器技術(shu),結合幾何(he)算法對數(shu)據進行采(cai)集與處理(li),獲得管道(dao)參數、控制(zhi)超聲換能(neng)器的自動(dong)定位安裝(zhuang),并采用标(biao)準表法實(shi)現💛對流量(liang)計的在線(xian)校準。
　　該系(xi)統主要由(you)外徑測量(liang)單元、測量(liang)管軸線運(yun)動單元、測(ce)量管圓周(zhou)運動單元(yuan)和軟件系(xi)統組成,如(ru)圖2所📱示。由(you)外徑測量(liang)✌️單元結合(he)🐆超聲波測(ce)厚儀的測(ce)量數據,可(ke)以确定管(guan)道内外徑(jing)的數據,通(tong)過在智能(neng)行走單.元(yuan)上安裝超(chao)聲換📐能器(qi),使用自主(zhu)開發🐉軟件(jian)控制👨‍❤️‍👨超聲(sheng)換能器自(zi)動運行至(zhi)指定位置(zhi),實現超聲(sheng)換能器自(zi)動定位、運(yun)行和安裝(zhuang),以減少由(you)探頭安裝(zhuang)誤差引起(qi)的流量測(ce)量誤差。其(qi)主要應用(yong)☎️于對 大口(kou)徑電磁流(liu)量計 的現(xian)場校準,能(neng)較大提升(sheng)在線檢測(ce)精度,爲流(liu)量計的正(zheng)确♉計量提(ti)供技術保(bao)障。
 
3.1便攜式(shi)時差法超(chao)聲波流量(liang)計
　　本項目(mu)中的便攜(xie)式時差法(fa)超聲波流(liu)量計可測(ce)量流❗速範(fan)❌圍(0.01~25)m/s,精度等(deng)級1.0級。
3.2内1外(wai)徑測量單(dan)元
3.2.1外徑測(ce)量
　　外徑測(ce)量采用弓(gong)高弦長法(fa),根據設計(ji)量程的需(xu)要,可測量(liang)🥵管徑❓爲DN(500~2900)mm。.
　　外(wai)徑測量設(she)計原理如(ru)圖3所示，圖(tu)中R爲目标(biao)測量對象(xiang),A、B兩點爲設(she)備觸點,A和(he)B的主體支(zhi)架采用固(gu)定支架,其(qi)中AB之間的(de)距離爲固(gu)定🛀🏻值D,Y1爲伸(shen)縮量尺,Y2爲(wei)縮進距離(li)。
 
　　其中測量(liang)活動軸采(cai)用機械式(shi)活動原理(li),隻要通過(guo)測量伸縮(suo)🈲量尺Y1縮進(jin)距離Y2即可(ke)得出最終(zhong)目标R的實(shi)際數值。Y1爲(wei)✔️活動量尺(chi)🏃‍♂️，具有彈性(xing)結構,可通(tong)過容栅位(wei)🐇移傳感器(qi)實現🤩對Y2的(de)精準測量(liang),保證精度(du)≥0.lmm以上測量(liang)誤差。該部(bu)分通過位(wei)移傳感器(qi)✍️進行模拟(ni)數據獲取(qu)🚶‍♀️,進而通過(guo)AD數據轉換(huan)最終獲得(de)數字信✂️号(hao)數據,并傳(chuan)遞到軟件(jian)中顯示。
3.2.2内(nei)徑數據
　　管(guan)道内徑的(de)數值是通(tong)過管道外(wai)徑測量值(zhi)減去管😘徑(jing)壁厚獲得(de)。管徑壁厚(hou)仍然采用(yong)超聲波測(ce)厚儀進行(hang)測🏃量,将所(suo)測數據輸(shu)人軟件中(zhong)，顯示内徑(jing)的數據值(zhi)。
3.3測量管軸(zhou)線運動單(dan)元
　　測量管(guan)軸線運動(dong)單元主要(yao)實現對兩(liang)個換能器(qi)測量管軸(zhou)線方向上(shang)運動距離(li)的控制和(he)定位,主要(yao)由😍運.動驅(qu)動♌部分⭐和(he)定位部💃分(fen)組成。驅動(dong)部分使用(yong)步進電.機(ji)控制精‼️密(mi)絲杆,帶動(dong)兩個換能(neng)器運動,實(shi)現測量管(guan)軸線方向(xiang)運動,保證(zheng)運動精度(du)士1mm;測量管(guan)軸線方向(xiang)運動定位(wei)部分采💃🏻用(yong)鋁合金運(yun)動滑軌上(shang)安🔞裝磁栅(shan)，通過傳感(gan)器讀取兩(liang)個換能器(qi)之間的相(xiang)對距離,确(que)保定位的(de)正确率。
3.4測(ce)量管圓周(zhou)運動單元(yuan)
　　測量管圓(yuan)周運動單(dan)元主要是(shi)實現對兩(liang)個換能器(qi)⛹🏻‍♀️在圓周方(fang)向🈲上運動(dong)的控制和(he)定位。換能(neng)器在圓周(zhou)方向上的(de)運動♌是采(cai)用機械手(shou)臂來控制(zhi)。V法、W法的換(huan)能器安🔞裝(zhuang)是不需要(yao)進行圓周(zhou)運動的🔞。Z法(fa)的換能器(qi)安裝,若圓(yuan)周_上的圓(yuan)✨心角是180°,則(ze)💘在機械手(shou)臂上安裝(zhuang)💞角度傳感(gan)器🌈,确保兩(liang)換能器各(ge)運動的🚶‍♀️角(jiao)度爲90°,即到(dao)📱達指定的(de)位置。
3.5軟件(jian)系統
　　軟件(jian)系統可以(yi)顯示外徑(jing)測量值.内(nei)徑測量值(zhi)、X軸運動坐(zuo)🧡标、圓周運(yun)動角度、流(liu)量測量值(zhi)。同時,通過(guo)軟件的調(diao)節可以控(kong)制換能器(qi)在X軸方向(xiang)的運動和(he)圓周🚩方向(xiang)的運動。
4結(jie)束語
　　該系(xi)統設計了(le)一組精度(du)高的機械(xie)化運動結(jie)構和一套(tao)高效的綜(zong)合軟件系(xi)統,實現了(le)流量的自(zi)動化測量(liang)。利用磁阻(zu)感應技術(shu)對管線進(jin)行立體式(shi)定位分析(xi),建立三維(wei)模型。通過(guo)三維建模(mo)實現了雙(shuang)換能器.自(zi)動可‼️視化(hua)立體三維(wei)定位,對超(chao)聲波流量(liang)計換👨‍❤️‍👨能器(qi)進行正确(que)定位傳送(song),流量計進(jin)行測量後(hou),傳輸🔴各類(lei)數據至綜(zong)合軟件系(xi)統,并🔴自動(dong)測得流量(liang)🔞數值🌈。該系(xi)統改變了(le)以往測量(liang)中隻能人(ren)爲手工測(ce)算和🔴安裝(zhuang)的現狀,不(bu)再隻🍓依靠(kao)技術人員(yuan)的經驗,而(er)是通過數(shu)字化的自(zi)動控制系(xi)統操控，完(wan)成了流量(liang)計的定位(wei)、安裝、檢測(ce)、計算,降低(di)了對技術(shu)人員操作(zuo)經驗🍓和能(neng)力的要求(qiu),提升了檢(jian)😍測🌈效率。作(zuo)爲一種自(zi)動在線測(ce)量的計量(liang)器具,其發(fa)揮的效果(guo)将是帶動(dong)整個♉相關(guan)行業的發(fa)展,爲流體(ti)計量在線(xian)測量的應(ying)用發展提(ti)供更加标(biao)準科學的(de)應用參考(kao),既爲社會(hui)帶❓來較好(hao)的效益,又(you)極大地推(tui)動了整個(ge)社👈會相關(guan)行業的進(jin)步和發展(zhan)。

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