摘要:本文(wen)介紹了使(shǐ)用 外夾式(shi)超聲波流(liú)量計 作爲(wei)标準表對(dui) 電磁流量(liàng)計 進行在(zai)線檢測的(de)方法.分析(xi)了使用該(gāi)方法過程(cheng)中對測量(liang)結果的影(ying)響量，設計(ji)并制作了(le)一種基于(yú)磁阻掃描(miao)技🔆術的流(liú)量在線測(cè)量系統,通(tong)過實驗及(jí)調試結果(guo),該系統✨可(ke)大幅度提(ti)升大口徑(jing)流體測量(liang)的測量精(jing)度。
1流量在(zài)線檢測的(de)意義
　　電磁(ci)流量計在(zai)線檢測是(shì)近年來流(liú)量儀表計(jì)量檢測技(ji)術發展的(de)一個重要(yào)方向。電磁(cí)流量計一(yī)般被✍️安裝(zhuang)✨在自🆚來水(shuǐ)📧輸水、地表(biǎo)水取水、污(wū)水排放等(děng)管線上，以(yǐ)實現管線(xian)流量的實(shi)時計量。安(an)裝在這-類(lèi)管線上的(de)電磁流量(liang)計,其口徑(jìng)從(DN500~DN2000)mm不等。這(zhè)類流量計(jì)不僅體積(ji)龐大,安裝(zhuang)處還往往(wang)沒有設置(zhi)旁通管線(xiàn)。如要将該(gai)電磁流量(liàng)計拆卸并(bing)送至實驗(yan)室進行檢(jiǎn)測，就需要(yào)關閉儀表(biǎo)前段閥門(men)。而關閉閥(fa)門就會造(zao)成管線💃🏻停(ting)水，嚴重影(yǐng)響居🤞民生(sheng)活和企業(ye)生産。例如(rú),安裝一台(tai)公稱直徑(jìng)爲DN500mm的電磁(ci)流量計的(de)自來水管(guǎn)線,需要供(gong)給一個鄉(xiāng)鎮的生活(huo)用水,如因(yin)流量計送(song)檢關閉管(guǎn)道若幹天(tiān),造成幾萬(wàn)名🌏居民無(wu)法正常用(yòng)水,勢㊙️必産(chǎn)生較大的(de)社會影響(xiang)💃。
　　除此之外(wài),自來水、污(wū)水、地表水(shuǐ)輸水管線(xian)大都埋入(ru)地下,計量(liàng)儀表一-般(bān)安裝在1m見(jian)方的設備(bèi)井中,設計(jì)時未💯考慮(lǜ)流量儀表(biao)拆卸送檢(jian)的需求，拆(chāi)卸空間嚴(yan)重受限,從(cong)而導☀️緻此(ci)類儀表無(wú)💯法拆卸送(sòng)檢。因此,實(shi)💘踐中存在(zài)較多流量(liang)計自安裝(zhuāng)後就未再(zai)檢定或校(xiao)💚準,其計量(liàng)性能也難(nán)以得到保(bao)證。在貿易(yi)交接中，雙(shuāng)方在交易(yi)量出現較(jiao)大分歧時(shi),由于沒有(yǒu)可靠的測(ce)量數據做(zuo)依據,因此(cǐ)損害了雙(shuang)方的經濟(jì)利益。近幾(jǐ)年，随着相(xiàng)關企業精(jīng)🈚細化管理(lǐ)要求的提(ti)高,其對大(da)口徑流量(liàng)計儀表在(zai)線檢定、檢(jiǎn)測的需求(qiú)也變得愈(yu)⭐發強烈。
　　目(mu)前,對電磁(cí)流量計的(de)在線測量(liàng)主要有三(san)種方式，即(ji):使用外夾(jiá)式超聲波(bo)流量計作(zuo)爲标準表(biao);使用串💛聯(lian)移動式校(xiao)準裝置作(zuo)爲♉标準表(biao)稱重法。其(qí)中,使用 便(biàn)攜式時差(chà)法超聲波(bō)流量計 作(zuo)爲标準表(biao)時,測量的(de)管徑範圍(wei)較大,使用(yòng)範圍較廣(guang)。本文重點(dian)研究該方(fāng)法在現場(chǎng)在線檢測(ce)中的影響(xiǎng)因素和解(jie)決方案。
2外(wai)夾式超聲(shēng)波流量計(jì)作爲标準(zhun)表對測量(liàng)的影響量(liang)
　　 外夾式超(chao)聲波流量(liàng)計因其攜(xié)帶和使用(yong)方便,廣泛(fàn)🤟應♌用于純(chún)淨水、污水(shuǐ)、油品等其(qí)他液體介(jie)質和天然(rán)氣、空氣等(deng)氣體介質(zhì)的測🍓量。”外(wài)夾式超聲(shēng)波流量計(jì)在實際㊙️檢(jian)測過程中(zhong)應用了時(shí)差法原理(lǐ),實現對流(liú)量的測量(liang)。時差法在(zài)實際應用(yong)時，對時差(cha)分辨力的(de)要求較高(gāo)。随着檢測(cè)技術的發(fa)展,特别是(shi)時間測量(liàng)技術的不(bú)斷更新升(shēng)級,外夾式(shi)超聲波流(liú)量計流量(liàng)的測量誤(wù)差越來越(yuè)小。電磁流(liú)量計🚩的誤(wu)差一般在(zai)❗3%~5%之間,而外(wài)夾式超聲(sheng)波流量計(jì)的最大允(yun)許誤差可(kě)以達到1%,甚(shèn)至更小。因(yin)此,采用外(wài)夾式超聲(shēng)波流量計(jì)對其進行(háng)校準滿足(zu)三分之一(yī)原則，是切(qiē)實可行的(de)。
　　根據平時(shí)工作中使(shi)用經驗以(yi)及對相關(guan)專業資料(liao)的研究🚩,總(zǒng)結分析得(de)出,選用外(wài)夾式超聲(shēng)波流量計(jì)作爲标準(zhun)表時,若超(chāo)聲波🙇🏻流量(liàng)計安裝現(xiàn)場所需的(de)直管段滿(man)足不同條(tiao)件下對直(zhi)管長度的(de)要求,那麽(me)對測量的(de)✊影響量主(zhu)要有:外夾(jiá)式超聲波(bō)💞流量計的(de)❤️最大允許(xǔ)誤差外夾(jiá)式超聲波(bo)流量計換(huan)能器安裝(zhuāng)、管道直徑(jing)測量。
2.1外夾(jia)式超聲波(bo)流量計的(de)最大允許(xu)誤差
　　外夾(jiá)式超聲波(bo)流量計因(yin)其安裝簡(jian)便、測量方(fāng)便的特點(diǎn)㊙️,已成爲最(zui)常用的在(zài)線檢測設(shè)備。它是将(jiang)一對🍉換能(neng)器外夾在(zài)測量管道(dào)上,互相發(fā)射接收超(chāo)聲波🏃‍♂️.信号(hào),聲波在檢(jiǎn)定介質中(zhōng)順流、逆流(liú)行進--段距(ju)離，通過兩(liǎng)次行進時(shí)間的比較(jiào),确定被測(cè)介質的流(liú)速。根🌏據JJG1030-2007《超(chao)聲流量計(jì)檢定規程(cheng)👄》可知，最大(dà)允許誤差(chà)分爲:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用(yong)于電磁🔞流(liú)♋量計的在(zài)線測量,則(ze)需選用最(zuì)大允許誤(wù)差小于等(deng)于±1.0%的外夾(jiá)式超聲波(bō)流量計。
2.2外(wai)夾式超聲(shēng)波流量計(ji)換能器安(an)裝
2.2.1換能器(qì)安裝方式(shì)
　　換能器安(an)裝方式通(tong)常有Z法、V法(fǎ)、X法、W法等,應(ying)根據使用(yòng)說明㊙️書并(bing)結合現場(chang)條件選擇(zé)最恰當的(de)安裝方式(shì),換能器安(ān)裝方🚶式示(shì)意圖如圖(tu)1所示。例如(rú),當流體平(ping)行于管軸(zhóu)流動時,通(tōng)常可采用(yòng)Z法;當流體(tǐ)流動方向(xiang)與管軸不(bú)平行時,可(kě)采用V法或(huò)🧡者X法;當管(guan)道長度有(yǒu)限時，使用(yong)X法🧑🏾‍🤝‍🧑🏼可獲得(de)較好的精(jing)度等。目前(qian)，可測的最(zui)小管徑爲(wei)φ25mm,采用V法或(huo)W法以擴大(da)聲程長度(dù),增加🈲順逆(ni)向聲傳播(bō)時間。而乙(yi)法一般用(yong)于φ50mm以上管(guǎn)道。
 
2.2.2換能器(qi)安裝位置(zhi)
　　換能器安(ān)裝的測量(liang)管軸線應(ying)盡可能與(yu)管道軸線(xiàn)✊一緻🈲,并且(qie)需🏒保證管(guan)内充滿液(ye)體，兩換能(néng)器之間的(de)測量管軸(zhou)💰線方向距(jù)離L需❗通過(guò)計算确定(ding),并通過鋼(gang)直尺在被(bei)測管🏒道上(shàng)測量出測(ce)量管軸線(xiàn)方向的距(ju)離,将兩換(huan)能器安裝(zhuāng)到位。同時(shí),需注意耦(ou)合劑的用(yòng)💜量,确保換(huàn)能器與測(ce)量管📱道要(yào)耦合好。并(bìng)且保證換(huàn)能器表面(miàn)的清潔,若(ruò)表面污物(wù)較多，則會(huì)影響🤞正常(chang)的測量。大(da)口徑管道(dao)測量時一(yī)般選擇Z法(fa)安裝,安裝(zhuang)時一對換(huàn)能器管道(dào)軸向安裝(zhuang)距離和管(guan)道圓周方(fang)向安裝角(jiǎo)度是否正(zheng)确,直接關(guan)系到超聲(shēng)波流量計(ji)流量計量(liàng)正确與否(fǒu)。目前🧡，超聲(sheng)波流量計(ji)換能器在(zai)軸向方向(xiang)安裝誤差(chà)給流量測(ce)量結果帶(dai)來的誤差(cha)已通過大(dà)量實驗數(shù)據得出,如(rú)日🔞本富士(shi)公司稱,超(chao)聲波流量(liang)計軸向安(an)裝偏差1mm,會(hui)給流量測(ce)量結果帶(dai)來0.3%的測量(liàng)誤差。同時(shí)☀️,圓周方向(xiàng)的安裝誤(wù)差會影響(xiǎng)--對換能器(qì)的超聲波(bo)接受強度(du)💜,從而影響(xiǎng)流量測量(liàng)結果🤞(但現(xian)尚無直接(jie)數據引用(yong))。在超聲波(bō)實際測量(liàng)過程中，被(bei)測管線外(wai)部塗⛹🏻‍♀️層、管(guǎn)道鏽蝕以(yǐ)及測試地(di)點狹小等(deng)問題，,給換(huàn)能器的正(zhèng)确安裝造(zao)成很🏒大的(de)困難。一條(tiáo)DN800mm的輸水管(guǎn)線Z法安裝(zhuang)爲例，其換(huàn)能器安裝(zhuang)标準距離(lí)爲365mm,而實際(jì)㊙️安裝過程(cheng)中,軸線方(fang)向安✌️裝偏(pian)差甚至達(da)到10mm(若管道(dao)外側鏽蝕(shi)㊙️嚴重,安裝(zhuāng)誤差甚至(zhì)更大),根據(jù)經驗用公(gong)式推🌂算,由(you)安裝誤差(chà)引起的流(liu)量偏❄️差達(dá)到3.0%,遠超過(guò)超聲波流(liu)量計儀🔴表(biao)本身最大(dà)🤟允許誤差(chà)1.0%。
2.3管道直徑(jing)測量
2.3.1管道(dao)外徑測量(liàng)
　　管道直徑(jìng)可采用現(xiàn)場測量結(jie)合現場資(zī)料确認的(de)方法,按照(zhào)JJF(蘇🐪)228-2019《電磁流(liu)量計在線(xiàn)校準規範(fàn)》的規定,可(kě)👨‍❤️‍👨以采用不(bú)低于1級鋼(gāng)卷尺進行(hang)現場.測量(liang),1級鋼卷尺(chi)的最大允(yun)許誤差爲(wei)±0.1mm±10-4L,但現場采(cǎi)用的是鋼(gāng)卷尺測量(liang)管道周長(zhǎng)後計算得(dé)出管道的(de)直徑,因此(ci),所引入的(de)誤差至少(shǎo)在0.1%~0.2%。對于1m的(de)管徑⚽直徑(jing),引入的誤(wu)差可達到(dào)(1~2)mm。對于管道(dao)直徑🍓比較(jiào)小的測量(liang),建議測量(liang)時可采用(yòng)π尺等更精(jīng)确的測量(liang)儀器😍來進(jin)行測量。
2.3.2管(guan)道内徑測(cè)量
　　管道内(nèi)徑的數值(zhí)是通過管(guan)道外徑測(ce)量值減去(qù)管徑壁厚(hou)獲得。管徑(jìng)壁厚是采(cai)用超聲波(bō)測厚儀在(zài)換✂️能器5個(gè)不💛同位置(zhì)進行測㊙️量(liang)後取平均(jun)值。超聲波(bo)測厚儀是(shi)🈚根據超聲(sheng)波在已知(zhī)固✌️體材料(liào)中傳播的(de)速度和傳(chuán)播🔞的時間(jian)來🍓測量出(chū)試件的厚(hou)度。因此管(guǎn)道㊙️的材質(zhi)必須正确(què),同時,測量(liàng)時應保證(zheng)🐪測量表面(miàn)的光滑性(xing),當被測表(biao)面的粗糙(cāo)度較大時(shi),則會影💛響(xiang)耦合效果(guǒ),從☎️而造成(chéng)測量數據(ju)的偏差☔。
3解(jiě)決方案
　　本(běn)文介紹一(yi)種基于磁(ci)阻掃描技(jì)術的流量(liang)在線測☔量(liang)系🥵統。通🤞過(guò)機械自動(dong)化、傳感器(qì)技術,結合(hé)幾何算🍓法(fa)對❄️數據🌈進(jìn)行采集與(yǔ)處理,獲得(dé)管道參數(shù)、控制超聲(sheng)換能器的(de)自動定位(wei)📱安裝,并采(cai)用标準表(biǎo)法實現對(duì)流量計🧡的(de)在線校準(zhun)。
　　該系統主(zhǔ)要由外徑(jìng)測量單元(yuán)、測量管軸(zhou)線運動單(dān)元、測量💘管(guan)圓周運動(dòng)單元和軟(ruǎn)件系統組(zu)成,如圖2所(suǒ)示。由外徑(jìng)測量單元(yuán)結合超聲(shēng)波測厚儀(yí)的測量數(shu)🙇‍♀️據,可以确(què)定管道内(nèi)外徑的數(shu)據,通過在(zai)智能行走(zǒu)單.元上安(an)裝超聲換(huan)✌️能器,使用(yong)自主開發(fa)軟件控制(zhi)超聲換能(néng)器自動運(yun)行至指定(ding)位置,實現(xian)超聲換能(néng)器自動定(dìng)位、運行和(hé)安裝,以減(jiǎn)少由探頭(tou)安裝誤差(cha)引起的流(liu)量測量⛹🏻‍♀️誤(wù)差。其❓主要(yao)應用于對(dui) 大口徑電(diàn)磁流量計(ji) 的現場校(xiao)準,能較大(da)提升在線(xiàn)檢測精度(dù),爲流量計(jì)的正确計(ji)量提供技(jì)術保障。
 
3.1便(biàn)攜式時差(chà)法超聲波(bō)流量計
　　本(ben)項目中的(de)便攜式時(shí)差法超聲(sheng)波流量計(jì)可測量流(liu)速範圍(0.01~25)m/s,精(jing)度等級1.0級(ji)。
3.2内1外徑測(ce)量單元
3.2.1外(wai)徑測量
　　外(wài)徑測量采(cǎi)用弓高弦(xian)長法,根據(jù)設計量程(chéng)的需要,可(ke)測🌈量管徑(jing)爲DN(500~2900)mm。.
　　外徑測(cè)量設計原(yuan)理如圖3所(suǒ)示，圖中R爲(wèi)目标測量(liàng)對象,A、B兩點(dian)爲設備觸(chu)點,A和B的主(zhǔ)體支架采(cǎi)用固定支(zhī)架,其中AB之(zhī)間的距離(li)爲固定值(zhi)D,Y1爲伸縮量(liang)尺,Y2爲縮進(jin)距離。
 
　　其中(zhōng)測量活動(dong)軸采用機(ji)械式活動(dòng)原理,隻要(yào)通過測量(liang)伸縮量尺(chǐ)Y1縮進距離(li)Y2即可得出(chu)最終目标(biāo)R的實際數(shu)值。Y1爲活動(dòng)量尺💯，具有(yǒu)🔴彈性結構(gou),可通過容(róng)栅位移傳(chuan)感器實現(xian)💚對Y2的精準(zhǔn)測量,保證(zhèng)精度≥0.lmm以上(shàng)測量😘誤差(cha)。該部💚分通(tong)過位移傳(chuán)感器進行(hang)模拟數據(jù)獲取,進而(ér)通過AD數據(jù)轉換最終(zhōng)📱獲得數字(zì)信🐕号數據(jù),并傳遞到(dào)軟件中顯(xian)示。
3.2.2内徑數(shu)據
　　管道内(nei)徑的數值(zhí)是通過管(guan)道外徑測(ce)量值減去(qu)管📱徑壁厚(hòu)獲得🚶‍♀️。管徑(jìng)壁厚仍然(rán)采用超聲(shēng)波測厚儀(yi)進行測量(liàng),将所測數(shu)據輸人🈲軟(ruan)件中，顯示(shì)内徑的數(shù)據值。
3.3測量(liàng)管軸線運(yun)動單元
　　測(cè)量管軸線(xiàn)運動單元(yuán)主要實現(xiàn)對兩個換(huan)能器測量(liàng)管軸線方(fāng)向上運動(dòng)距離的控(kòng)制和定位(wei),主要由運(yun).動驅動🔞部(bu)分和定💃🏻位(wei)部☀️分組成(chéng)。驅動部分(fen)使用步進(jìn)電.機控制(zhi)精密絲杆(gan),帶動兩⭐個(gè)換能🐇器運(yun)動,實現測(ce)量管軸線(xiàn)方向運🈲動(dòng),保證運動(dòng)精度士1mm;測(cè)量管軸線(xian)方向運動(dong)定位部分(fen)采用鋁合(hé)金運動滑(hua)軌上安😄裝(zhuāng)磁栅，通過(guo)傳感器讀(du)取兩個🏃‍♀️換(huàn)能器之間(jian)的相對距(jù)離,确保定(dìng)位的🤞正确(que)率。
3.4測量管(guǎn)圓周運動(dòng)單元
　　測量(liàng)管圓周運(yùn)動單元主(zhu)要是實現(xiàn)對兩個換(huan)能器在圓(yuán)周方向上(shang)運動的控(kòng)制和定位(wei)。換能器在(zài)圓周方向(xiang)上的運動(dòng)是采用機(ji)械手臂來(lai)控制。V法、W法(fa)的換能器(qì)安裝是不(bu)需要進行(hang)圓周運動(dòng)的。Z法的換(huàn)能器安裝(zhuang),若圓🈲周_上(shàng)的圓心角(jiao)是180°,則在機(ji)械手臂上(shang)安裝角度(du)傳感器,确(què)保兩換能(néng)器各運動(dòng)的角度爲(wèi)90°,即到達指(zhi)定的位置(zhi)👉。
3.5軟件系統(tǒng)
　　軟件系統(tǒng)可以顯示(shi)外徑測量(liang)值.内徑測(ce)量值、X軸運(yùn)動坐标、圓(yuán)周運動角(jiǎo)度、流量測(ce)量值。同時(shi),通過軟件(jiàn)的調節可(kě)以控制換(huàn)♋能器在X軸(zhóu)方向的運(yùn)動和圓周(zhōu)💛方向的運(yùn)動。
4結束語(yu)
　　該系統設(she)計了一組(zu)精度高的(de)機械化運(yun)動結構和(he)一套高效(xiao)🐇的🔅綜合軟(ruǎn)件系統,實(shí)現了流量(liang)的自動化(huà)測量。利用(yong)磁阻感應(ying)技術🌍對管(guǎn)線進行立(li)體式定位(wei)分析,建⭕立(li)三維模型(xíng)。通過三維(wéi)建模實🚶現(xian)了雙換能(néng)器.自動可(ke)視化立體(ti)☔三維定位(wei),對超聲波(bo)流量計換(huàn)能器進行(háng)正✨确定位(wei)傳送,流量(liang)計進行測(ce)量後,傳輸(shū)各類數據(jù)至綜合軟(ruan)件系統,并(bing)自動測得(de)流量數值(zhi)。該系統改(gǎi)變了以🥰往(wǎng)測量🔞中隻(zhi)能人💰爲手(shou)工測算和(he)安裝的現(xiàn)狀,不再隻(zhī)依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗,而是通(tong)過數字化(hua)🈲的自動控(kong)制系統操(cāo)控，完成了(le)流量🍉計的(de)🔱定位、安裝(zhuāng)、檢測、計算(suan),降低了對(duì)技術人員(yuan)操作經驗(yàn)和能力的(de)要求,提升(sheng)了檢測效(xiào)率。作爲一(yi)種自動在(zai)🔱線測量的(de)計量器具(ju),其發揮的(de)效果将是(shi)帶動整個(ge)相關行業(yè)📞的發展,爲(wèi)流體計量(liang)在線測量(liàng)的應用發(fa)展提供更(gèng)加标㊙️準科(ke)學的應用(yòng)參考,既爲(wei)社會帶🎯來(lai)🐇較好的效(xiao)益,又極大(dà)地推動了(le)整個社🎯會(huì)相關行業(ye)的進步和(hé)發展。

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