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)饬髁坑嫷脑诰€檢定問題有待解決。近幾年來，超聲波流量計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。目前流量計的檢定大多采用離線周期送檢，在實驗室利用標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，這種方法需要把連續(xù)工作的流量計拆卸掉而用直管段替代，這樣不僅造成流量計量不準(zhǔn)確，給企業(yè)帶來損失，且容易引起貿(mào)易糾紛。因此設(shè)計一套對氣體流量計進(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)實意義。

1　時差法超聲波流量計測量原理

超聲波流量計主要由超聲換能器、信號處理單元以及顯示部分組成。超聲波流量計按其工作原理主要可分為時差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計等。時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方向成銳角發(fā)射超聲波信號，由接收超聲波換能器接收超聲波信號，通過測量超聲波在管道氣體中的順流和逆流的傳播時間差計算氣體的流速，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。時差法超聲波流量計測量原理如圖1所示。

圖1　時差法測量原理

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)場實驗測量得到，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

氣體流量計在線檢定系統(tǒng)主要包括被檢流量計管段、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，將被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)流量計串聯(lián)起來，通過采集被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量信息，存儲相對應(yīng)的瞬時流量和累積流量，最終通過對比，計算出二者誤差，整套實驗裝置的示意圖如圖2所示。

圖2　燃?xì)饬髁坑嬙诰€檢定系統(tǒng)示意圖

在上位機(jī)中控制標(biāo)準(zhǔn)表的檢定時間，將被檢流量計某一時間的流量信號保存在下位機(jī)中，當(dāng)一個流量點檢定完成后，由上位機(jī)根據(jù)檢定的起止時間通過Internet網(wǎng)絡(luò)查詢被檢表的流量，從而完成精確測量。由于外夾式流量計無法精確測量管道截面積以及插入式流量計必須使超聲波接觸介質(zhì)，不能在線測量等缺點，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。

(3)安裝超聲換能器。雙通道超聲波流量計共4個換能器，安裝的時候需注意兩對換能器的對應(yīng)，一對全為A，另外一對為B。另外與流量計和換能器相連的4條電纜線，同樣將一對換能器與一個通道相連的電纜對應(yīng)，并根據(jù)管道中氣體的流動方向分清電纜上所對應(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，影響超聲波信號的測量。

(4)換能器信號檢測。在超聲波流量計上輸入管道參數(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，流量計將進(jìn)行自檢過程，若安裝正確，流量計屏幕上會出現(xiàn)一個對話框顯示當(dāng)時的信號強(qiáng)度和管道內(nèi)的聲速。

(5)計算誤差。利用檢定系統(tǒng)，分別讀取一定時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的瞬時流量和累計流量分別計算出被檢流量計的誤差和重復(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為被檢流量計第i個流量點的示值誤差；(Er)i為被檢流量計第i個流量點的重復(fù)性。

(6)生成報告。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，生成檢定報告，出具相應(yīng)的檢定/校準(zhǔn)證書。

3　硬件設(shè)計

氣體流量計在線檢定系統(tǒng)硬件部分由信號調(diào)理模塊、信號處理模塊以及人機(jī)接口電路3部分組成。信號調(diào)理模塊：完成超聲波信號的放大、濾波以及A/D轉(zhuǎn)換，以供單片機(jī)進(jìn)行處理；信號處理模塊：完成數(shù)據(jù)的采集、計算及與計算機(jī)通訊功能；人機(jī)接口電路：完成處理后輸出信號的采集和相應(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：由被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)流量計輸出的兩路模擬信號量，需經(jīng)過信號調(diào)理電路對其進(jìn)行調(diào)理，然后經(jīng)過信號處理模塊對采集到的數(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種方式與計算機(jī)通訊。

3．1信號調(diào)理模塊

由標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計采集的信號是4～20 mA的電流信號[4]，由于輸出的模擬信號且比較微弱，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量檢定，因此對精確度要求較高，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，可保證輸出信號的穩(wěn)定性。A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇AD7321，它是一個雙通道、12位帶符號位的逐次逼近型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。

3．2信號處理模塊

信號處理模塊采用可編程邏輯器件EMP1270T144C5N芯片，對轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號信號進(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，來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。利用JTAG下載接口將從流量計上采集的信息下載到存儲芯片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)計目標(biāo)是為了給工作人員提供友好的工作平臺，協(xié)助完成計量檢定工作，使氣體流量計的檢定流程可以集檢測、數(shù)據(jù)處理、生成檢定結(jié)果報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采集芯片來實現(xiàn)信號的采集，通過軟件編程完成可視化操作界面，實現(xiàn)人與計算機(jī)以及外部更多輔助設(shè)備的信息交換。

4　軟件設(shè)計

由于該在線氣體流量計檢定系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣體流量計的現(xiàn)場計量檢定，因此需要設(shè)計簡單易操作的工作界面以供檢定工作人員操作。該設(shè)計采用面相對象的思想，用戶界面采用VB程序設(shè)計開發(fā)，檢定數(shù)據(jù)采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。整個軟件設(shè)計過程簡單，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態(tài)鏈接庫和初始化函數(shù)來實現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)采集。檢定部分是軟件設(shè)計的核心，檢定結(jié)果與客戶的利益密切相關(guān)，是保證計量準(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，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，每隔一段時間采集流量信息，同時在檢定界面上顯示，并且將流量數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)庫中。將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表的瞬時流量和累積流量分別對比，得到誤差和不確定度。

軟件工作流程為：系統(tǒng)上電后，首先對采集模塊進(jìn)行初始化，初始化主要完成設(shè)定采集信號時間間隔、檢定點數(shù)等準(zhǔn)備工作，設(shè)置好A/D轉(zhuǎn)換頻率之后，啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取采集到的數(shù)據(jù)，存儲到緩存區(qū)域，然后對采集到的相應(yīng)流量點的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)公式進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)換為被檢儀表的瞬時流量和累計流量，并將有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果存儲起來[5]?？梢暬僮鹘缑婵筛鶕?jù)流量計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。實驗前需對現(xiàn)場檢定所采用的外夾式1010GCN超聲波流量計進(jìn)行實驗室檢定，精度符合相關(guān)計量檢定標(biāo)準(zhǔn)方可作為現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)檢定計量器具。

將外夾式標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計的傳感器安裝于被檢管段式流量計前端管道上，排除溫度、壓力、氣體參數(shù)等因素的影響，表1為用1010GCN超聲波流量計作為現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)流量計進(jìn)行在線測量的數(shù)據(jù)。實驗通過4次測量，得到被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計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)超聲波流量計流量為Q，相對誤差用δ來表示，計算公式為：

(8)

表1　現(xiàn)場檢定試驗結(jié)果

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)證明，受現(xiàn)場溫度等環(huán)境因素影響，被檢流量計雖然與實驗室檢定結(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)超聲波流量計雖有波動，但完全可以作為現(xiàn)場檢定流量計的計量器具。

5．2影響測量精確度因素分析

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

(1)現(xiàn)場檢定環(huán)境跟實驗室相比，現(xiàn)場檢定時信號傳播衰減幅度大、檢波不穩(wěn)定、信號干擾嚴(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．實驗室標(biāo)準(zhǔn)裝置所用的金屬管道對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，影響檢定結(jié)果。因此，通過實驗，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問題。

(3)換能器安裝方式的影響。針對現(xiàn)場檢定低壓環(huán)境下，不同管道材質(zhì)對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，由于系統(tǒng)采用塑料管道，管道材料對聲速的衰減較大，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強(qiáng)度，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計上提供的換能器最佳距離，平行移動2個探頭，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，并通過實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。通過試驗表明，多次試驗之后總結(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。

參考文獻(xiàn)：

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