呂運(yùn)朋，井樂樂，邊可可，禹金標(biāo)

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州　450001)

0　引言

隨著天然氣的日益普及，各種燃?xì)饬髁坑?jì)的在線檢定問題有待解決。近幾年來，超聲波流量計(jì)在管道流量測量方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別是大口徑管道的測量。目前流量計(jì)的檢定大多采用離線周期送檢，在實(shí)驗(yàn)室利用標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，這種方法需要把連續(xù)工作的流量計(jì)拆卸掉而用直管段替代，這樣不僅造成流量計(jì)量不準(zhǔn)確，給企業(yè)帶來損失，且容易引起貿(mào)易糾紛。因此設(shè)計(jì)一套對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場檢定的標(biāo)準(zhǔn)裝置解決上述問題，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1　時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量原理

超聲波流量計(jì)主要由超聲換能器、信號(hào)處理單元以及顯示部分組成。超聲波流量計(jì)按其工作原理主要可分為時(shí)差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計(jì)等。時(shí)差法測量超聲波原理[1]是通過發(fā)射超聲波換能器以與氣體流動(dòng)方向成銳角發(fā)射超聲波信號(hào)，由接收超聲波換能器接收超聲波信號(hào)，通過測量超聲波在管道氣體中的順流和逆流的傳播時(shí)間差計(jì)算氣體的流速，進(jìn)一步推導(dǎo)出氣體的流量。超聲波流量計(jì)尤其適用于大管徑或者不易接觸等特殊場合，是非接觸測量的一種。時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量原理如圖1所示。

圖1　時(shí)差法測量原理

超聲波在氣體中的傳播速度由氣體傳播速度v在超聲波傳播方向的分量v和靜態(tài)下超聲波傳播速度c合成，超聲波順流和逆流的傳播速度td和tu分別為：

(1)

(2)

式中：td和tu分別為超聲波順流和逆流的傳播時(shí)間；α為超聲波傳播方向與水平方向夾角；L為傳播距離。

可利用式(1)和式(2)得出流體流速的表達(dá)式：

(3)

式中v是流體的速度。

測量距離L、超聲波傳播方向與水平夾角為已知量，td和tu可通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測量得到，在排出外界溫度環(huán)境影響的條件下，可求出氣體傳播速度，從而得到流量信息。

2　系統(tǒng)構(gòu)成及檢定過程

2．1系統(tǒng)構(gòu)成

氣體流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)主要包括被檢流量計(jì)管段、標(biāo)準(zhǔn)管段、超聲波換能器、信息采集模塊、主控系統(tǒng)等部分。氣體流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)采用雙聲道超聲換能器夾在特殊材質(zhì)的管道上，將被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)串聯(lián)起來，通過采集被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量信息，存儲(chǔ)相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積流量，最終通過對(duì)比，計(jì)算出二者誤差，整套實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖2所示。

圖2　燃?xì)饬髁坑?jì)在線檢定系統(tǒng)示意圖

在上位機(jī)中控制標(biāo)準(zhǔn)表的檢定時(shí)間，將被檢流量計(jì)某一時(shí)間的流量信號(hào)保存在下位機(jī)中，當(dāng)一個(gè)流量點(diǎn)檢定完成后，由上位機(jī)根據(jù)檢定的起止時(shí)間通過Internet網(wǎng)絡(luò)查詢被檢表的流量，從而完成精確測量。由于外夾式流量計(jì)無法精確測量管道截面積以及插入式流量計(jì)必須使超聲波接觸介質(zhì)，不能在線測量等缺點(diǎn)，該系統(tǒng)采用西門子改造的一種帶換能器探頭的標(biāo)準(zhǔn)管段，可以實(shí)現(xiàn)探頭和換能器的分離。

2．2檢定過程

使用該檢定系統(tǒng)進(jìn)行檢定的操作步驟如下：

(1)管道直徑測量。利用卷尺和三角板在標(biāo)準(zhǔn)管道上的同一截面上分別進(jìn)行測量n次，D滿足公式：

(4)

根據(jù)式(4)計(jì)算出管道的外徑。

(2)管道材質(zhì)及表面處理。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)上可供選擇的材質(zhì)類型，選擇與所用管道相同或者相近的材質(zhì)類型，并利用砂布對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管道表面進(jìn)行打磨處理。然后在測量好的管道上粘貼CC129膜，以便使換能器更順利地采集超聲波信號(hào)。

(3)安裝超聲換能器。雙通道超聲波流量計(jì)共4個(gè)換能器，安裝的時(shí)候需注意兩對(duì)換能器的對(duì)應(yīng)，一對(duì)全為A，另外一對(duì)為B。另外與流量計(jì)和換能器相連的4條電纜線，同樣將一對(duì)換能器與一個(gè)通道相連的電纜對(duì)應(yīng)，并根據(jù)管道中氣體的流動(dòng)方向分清電纜上所對(duì)應(yīng)的UP和DOWN，在換能器與管道接觸表面均勻涂上耦合劑，安裝時(shí)以全面耦合為最佳[2]，避免換能器與管道之間縫隙的存在，影響超聲波信號(hào)的測量。

(4)換能器信號(hào)檢測。在超聲波流量計(jì)上輸入管道參數(shù)和管道中的氣體參數(shù)建立檢定現(xiàn)場，流量計(jì)將根據(jù)輸入的參數(shù)，給定換能器的安裝距離。換能器安裝完之后，流量計(jì)將進(jìn)行自檢過程，若安裝正確，流量計(jì)屏幕上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框顯示當(dāng)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度和管道內(nèi)的聲速。

(5)計(jì)算誤差。利用檢定系統(tǒng)，分別讀取一定時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量分別計(jì)算出被檢流量計(jì)的誤差和重復(fù)性[3]。公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：(qs)ij為第j次檢定的標(biāo)準(zhǔn)值；Ei為被檢流量計(jì)第i個(gè)流量點(diǎn)的示值誤差；(Er)i為被檢流量計(jì)第i個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性。

(6)生成報(bào)告。由USB數(shù)據(jù)采集卡采集被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的流量，并通過USB接口顯示在上位機(jī)中，檢定結(jié)束后，將數(shù)據(jù)和被檢表信息保存到Excel表格中，生成檢定報(bào)告，出具相應(yīng)的檢定/校準(zhǔn)證書。

3　硬件設(shè)計(jì)

氣體流量計(jì)在線檢定系統(tǒng)硬件部分由信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊以及人機(jī)接口電路3部分組成。信號(hào)調(diào)理模塊：完成超聲波信號(hào)的放大、濾波以及A/D轉(zhuǎn)換，以供單片機(jī)進(jìn)行處理；信號(hào)處理模塊：完成數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算及與計(jì)算機(jī)通訊功能；人機(jī)接口電路：完成處理后輸出信號(hào)的采集和相應(yīng)軟件系統(tǒng)的顯示功能。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作過程為：由被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出的兩路模擬信號(hào)量，需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，然后經(jīng)過信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，最后通過人機(jī)接口電路顯示并保存檢測結(jié)果，可通過視頻、RS-232接口或RS-485接口3種方式與計(jì)算機(jī)通訊。

3．1信號(hào)調(diào)理模塊

由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)采集的信號(hào)是4～20 mA的電流信號(hào)[4]，由于輸出的模擬信號(hào)且比較微弱，因此需進(jìn)行放大、濾波和調(diào)幅等處理。由于此裝置用來完成計(jì)量檢定，因此對(duì)精確度要求較高，選擇 AD8250作為放大芯片，該程控放大器具有低的輸出噪聲及低失真性等特點(diǎn)，可保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇AD7321，它是一個(gè)雙通道、12位帶符號(hào)位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有高速串行接口，最高吞吐量可達(dá)500 KSPS，具有精度高，轉(zhuǎn)換速度快且功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3．2信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊采用可編程邏輯器件EMP1270T144C5N芯片，對(duì)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)信號(hào)進(jìn)行處理，它可提供豐富的邏輯資源，且功耗低，IO接口多，可擴(kuò)展性強(qiáng)。在EPM1270與單片機(jī)的接口電路通過2片74ALVC164245，將電壓轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的+5 V電壓，來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。利用JTAG下載接口將從流量計(jì)上采集的信息下載到存儲(chǔ)芯片RAM上，下位機(jī)能夠通過視頻、RS-232接口或RS-485接口任意一種方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

3．3人機(jī)接口電路

人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了給工作人員提供友好的工作平臺(tái)，協(xié)助完成計(jì)量檢定工作，使氣體流量計(jì)的檢定流程可以集檢測、數(shù)據(jù)處理、生成檢定結(jié)果報(bào)告和檢定記錄于一體，并最終打印檢定結(jié)果證書。該系統(tǒng)通過USB采集芯片來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，通過軟件編程完成可視化操作界面，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)以及外部更多輔助設(shè)備的信息交換。

4　軟件設(shè)計(jì)

由于該在線氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣體流量計(jì)的現(xiàn)場計(jì)量檢定，因此需要設(shè)計(jì)簡單易操作的工作界面以供檢定工作人員操作。該設(shè)計(jì)采用面相對(duì)象的思想，用戶界面采用VB程序設(shè)計(jì)開發(fā)，檢定數(shù)據(jù)采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過程簡單，且易于更新。

軟件部分編程包括數(shù)據(jù)傳輸部分和檢定部分。數(shù)據(jù)傳輸部分通過使用動(dòng)態(tài)鏈接庫和初始化函數(shù)來實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)采集。檢定部分是軟件設(shè)計(jì)的核心，檢定結(jié)果與客戶的利益密切相關(guān)，是保證計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢定流程圖如圖4所示。

圖4　軟件主程序流程圖

檢定開始時(shí)，將換能器等信息采集裝置安裝到待測管道上，待傳感器等測量電路連接完備，進(jìn)入到主程序界面，每隔一段時(shí)間采集流量信息，同時(shí)在檢定界面上顯示，并且將流量數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)庫中。將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的瞬時(shí)流量和累積流量分別對(duì)比，得到誤差和不確定度。

軟件工作流程為：系統(tǒng)上電后，首先對(duì)采集模塊進(jìn)行初始化，初始化主要完成設(shè)定采集信號(hào)時(shí)間間隔、檢定點(diǎn)數(shù)等準(zhǔn)備工作，設(shè)置好A/D轉(zhuǎn)換頻率之后，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取采集到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到緩存區(qū)域，然后對(duì)采集到的相應(yīng)流量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)換為被檢儀表的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，并將有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)起來[5]?？梢暬僮鹘缑婵筛鶕?jù)流量計(jì)的種類選擇不同的檢定方式，如A/D轉(zhuǎn)換、脈沖方式和視頻采集方式等，檢定完成后將結(jié)果通過數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)起來，以便查詢歷史記錄。

5　系統(tǒng)的應(yīng)用及影響測量精確度因素分析

5．1系統(tǒng)的應(yīng)用

氣體流量計(jì)檢定系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢定裝置相比，體積小，易于攜帶，適用于現(xiàn)場檢測。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)現(xiàn)場檢定所采用的外夾式1010GCN超聲波流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，精度符合相關(guān)計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)方可作為現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)檢定計(jì)量器具。

將外夾式標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的傳感器安裝于被檢管段式流量計(jì)前端管道上，排除溫度、壓力、氣體參數(shù)等因素的影響，表1為用1010GCN超聲波流量計(jì)作為現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行在線測量的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)通過4次測量，得到被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)3 min內(nèi)的累積流量。

設(shè)被檢表流量記為Q1，在線檢定系統(tǒng)所用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)流量為Q，相對(duì)誤差用δ來表示，計(jì)算公式為：

(8)

表1　現(xiàn)場檢定試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，受現(xiàn)場溫度等環(huán)境因素影響，被檢流量計(jì)雖然與實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果有一定的差異，但其工作穩(wěn)定，誤差均在檢定規(guī)程允許的范圍之內(nèi)。所用標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)雖有波動(dòng)，但完全可以作為現(xiàn)場檢定流量計(jì)的計(jì)量器具。

5．2影響測量精確度因素分析

通過對(duì)現(xiàn)場測量結(jié)果分析，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢定經(jīng)驗(yàn)，影響測量精度的因素歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)現(xiàn)場檢定環(huán)境跟實(shí)驗(yàn)室相比，現(xiàn)場檢定時(shí)信號(hào)傳播衰減幅度大、檢波不穩(wěn)定、信號(hào)干擾嚴(yán)重及流場影響等問題，需要采取一定的措施盡量減少外界環(huán)境因素帶來的影響。

(2)對(duì)于小型供氣企業(yè)來說，管道本身的壓力一般為0．6～1．0 MPa．實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置所用的金屬管道對(duì)聲速的衰減幅度較大，導(dǎo)致超聲波換能器夾在管道上不能測到流體信號(hào)，影響檢定結(jié)果。因此，通過實(shí)驗(yàn)，找出一種能替代金屬管道作為安裝換能器的管道，成為該系統(tǒng)需要解決的另外一個(gè)問題。

(3)換能器安裝方式的影響。針對(duì)現(xiàn)場檢定低壓環(huán)境下，不同管道材質(zhì)對(duì)換能器安裝方式有一定影響。流量積算儀的推薦安裝方式為V型，對(duì)于流態(tài)分布紊亂使應(yīng)用條件變差的流體[6]，反射式安裝可提供補(bǔ)償。直射式(Z)型安裝可以獲得較強(qiáng)的換能器信號(hào)，由于系統(tǒng)采用塑料管道，管道材料對(duì)聲速的衰減較大，采用Z型安裝效果更好。

(4)換能器安裝距離的影響。探頭的安裝距離必須保證準(zhǔn)確。在檢定中為了保證最佳信號(hào)強(qiáng)度，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)上提供的換能器最佳距離，平行移動(dòng)2個(gè)探頭，在保證探頭的安裝距離符合要求的前提下尋找最佳安裝點(diǎn)，并通過實(shí)際測量確保探頭的安裝距離準(zhǔn)確無誤。

6　結(jié)束語

隨著國內(nèi)燃?xì)馐聵I(yè)的飛速發(fā)展，在線校準(zhǔn)檢定是未來發(fā)展的重要趨勢，特別是運(yùn)用方便小巧的檢定裝置。通過試驗(yàn)表明，多次試驗(yàn)之后總結(jié)出來的提高檢定裝置準(zhǔn)確性的方法，能夠使得在線檢定準(zhǔn)確度達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，并且使其應(yīng)用越來越廣泛化。

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