摘要:本(běn)文介紹了使用(yòng) 外夾式超聲波流量計 作(zuò)爲标準表對 電磁流(liú)量計 進行(háng)在線(xiàn)檢測的方(fāng)法.分析了使(shǐ)用該方(fāng)法過程中對測量結果的影響(xiǎng)量，設計(jì)并制作(zuò)了一種基(jī)于磁(cí)阻掃(sǎo)描(miáo)技(jì)術的流量(liàng)在線(xiàn)測量系統,通過實驗(yàn)及調試結(jié)果,該(gāi)系統可大(dà)幅度提升大口徑流(liú)體測量的(de)測量(liàng)精度。
1流量(liàng)在線(xiàn)檢測的意(yì)義
　　電(diàn)磁流量計(jì)在線檢測是(shì)近年來(lái)流量儀表(biǎo)計量(liàng)檢測技術(shù)發展(zhǎn)的一個(gè)重要(yào)方(fāng)向。電磁流量計一般(bān)被(bèi)安裝在(zài)自來(lái)水輸(shū)水、地(dì)表水取水(shuǐ)、污水(shuǐ)排放等管線(xiàn)上(shàng)，以實現管線流(liú)量的實(shí)時計量(liàng)。安裝在這-類管線上的(de)電磁流(liú)量計,其口徑從(dn500~dn2000)mm不等(děng)。這類(lèi)流量(liàng)計不(bú)僅體積龐(páng)大,安(ān)裝(zhuāng)處還往往沒有設置旁(páng)通管線。如要将該電磁流量計拆卸并(bìng)送(sòng)至實驗室進行檢測(cè)，就需要關(guān)閉儀表前段閥門。而(ér)關閉(bì)閥門(mén)就會(huì)造成(chéng)管線(xiàn)停水(shuǐ)，嚴重影響居民生(shēng)活(huó)和企業生(shēng)産。例如,安裝一台公(gōng)稱直徑爲(wèi)dn500mm的電磁(cí)流(liú)量計的自來水管線(xiàn),需(xū)要供給一個(gè)鄉鎮(zhèn)的(de)生活用(yòng)水,如因流量計送檢關(guān)閉(bì)管道(dào)若幹天(tiān),造(zào)成幾(jǐ)萬名居(jū)民(mín)無法(fǎ)正常(cháng)用(yòng)水,勢必産生(shēng)較(jiào)大的社(shè)會影響(xiǎng)。
　　除(chú)此之(zhī)外,自(zì)來(lái)水、污水(shuǐ)、地表水輸(shū)水管線大都埋入地(dì)下,計量儀表一-般安裝在1m見方(fāng)的設備井(jǐng)中,設計(jì)時未考(kǎo)慮流(liú)量儀表拆(chāi)卸送(sòng)檢的(de)需求(qiú)，拆卸空間嚴重受限(xiàn),從而導(dǎo)緻此類(lèi)儀表(biǎo)無法拆卸送檢(jiǎn)。因此(cǐ),實(shí)踐(jiàn)中存在較(jiào)多流(liú)量計自安裝後(hòu)就未(wèi)再檢定或(huò)校準(zhǔn),其計量性(xìng)能也難以得(dé)到(dào)保證。在貿(mào)易交(jiāo)接中，雙(shuāng)方在交(jiāo)易量(liàng)出現較大分歧時,由于沒(méi)有可靠的測量數據(jù)做(zuò)依據,因此損害了雙方(fāng)的經(jīng)濟利益。近(jìn)幾年(nián)，随着相關(guān)企業精細化管理要求的提高(gāo),其對大口(kǒu)徑流(liú)量計(jì)儀表在線(xiàn)檢(jiǎn)定(dìng)、檢測(cè)的需(xū)求也(yě)變得愈發(fā)強烈。
　　目前,對電磁流量計的在(zài)線測量主要有(yǒu)三種方(fāng)式，即:使(shǐ)用外夾(jiá)式超聲波流量計作爲(wèi)标準表;使(shǐ)用串(chuàn)聯移動式校準(zhǔn)裝置作爲标準(zhǔn)表稱重法。其中(zhōng),使用 便攜式時(shí)差法超(chāo)聲(shēng)波流量計 作爲标準(zhǔn)表時,測量的管(guǎn)徑範圍較大,使(shǐ)用範(fàn)圍較(jiào)廣。本(běn)文重點研(yán)究該方法在現(xiàn)場在(zài)線檢測中(zhōng)的影(yǐng)響因素(sù)和(hé)解(jiě)決(jué)方案(àn)。
2外夾式超(chāo)聲波流量(liàng)計作(zuò)爲标準表對測量(liàng)的影(yǐng)響量
　　 外(wài)夾式超聲(shēng)波流量計因其攜帶(dài)和使用(yòng)方(fāng)便,廣(guǎng)泛應用于純淨(jìng)水、污水、油(yóu)品等(děng)其他液(yè)體(tǐ)介(jiè)質和天然(rán)氣(qì)、空氣(qì)等氣體介質的(de)測量(liàng)。”外夾式超(chāo)聲波流量計在(zài)實際檢(jiǎn)測(cè)過(guò)程(chéng)中應(yīng)用了(le)時差法原理(lǐ),實現對流量(liàng)的測(cè)量。時(shí)差法(fǎ)在(zài)實際應(yīng)用時，對(duì)時差分(fèn)辨力(lì)的要(yào)求較高。随着檢測技(jì)術的發展,特别是時間測量技(jì)術的不斷更(gèng)新(xīn)升級(jí),外(wài)夾(jiá)式超(chāo)聲波流(liú)量(liàng)計流量的(de)測量誤差(chà)越來(lái)越小(xiǎo)。電磁(cí)流量計的誤差(chà)一般在3%~5%之間,而(ér)外夾式(shì)超聲波(bō)流量計的(de)最大允許(xǔ)誤差可以(yǐ)達到1%,甚(shèn)至更小。因此,采用外夾式超聲波(bō)流量計對(duì)其進行校準滿足三分之(zhī)一原則，是切實(shí)可行(háng)的。
　　根(gēn)據平時工作(zuò)中使用(yòng)經驗(yàn)以及對相關(guān)專業資料的(de)研究,總結分析(xī)得出,選(xuǎn)用(yòng)外夾(jiá)式超聲波(bō)流量(liàng)計作爲(wèi)标準表(biǎo)時,若(ruò)超(chāo)聲(shēng)波流(liú)量計(jì)安(ān)裝(zhuāng)現場(chǎng)所需的直(zhí)管段滿足(zú)不(bú)同(tóng)條件(jiàn)下對直管(guǎn)長度(dù)的(de)要(yào)求,那麽對(duì)測量的(de)影(yǐng)響量主要有(yǒu):外(wài)夾式(shì)超聲波(bō)流量計的最(zuì)大允(yǔn)許誤差外夾式超聲(shēng)波流(liú)量計換能(néng)器安裝、管道直徑測量。
2.1外夾式超聲波流量計的最大允許誤(wù)差
　　外(wài)夾(jiá)式超聲波流量(liàng)計因其(qí)安裝簡(jiǎn)便(biàn)、測量方便(biàn)的特點,已(yǐ)成爲最常(cháng)用的(de)在線檢(jiǎn)測設備(bèi)。它是将一(yī)對換能器外夾在測(cè)量管道上,互相發射接(jiē)收超聲(shēng)波.信号(hào),聲波在(zài)檢定介質中順流、逆流(liú)行進--段距離(lí)，通過兩次(cì)行進(jìn)時間(jiān)的比較,确(què)定(dìng)被測介質的流速(sù)。根據jjg1030-2007《超聲(shēng)流量計檢(jiǎn)定規程(chéng)》可(kě)知，最(zuì)大(dà)允(yǔn)許(xǔ)誤差分(fèn)爲:±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于電磁(cí)流量(liàng)計的(de)在線測量,則需選用最大允許(xǔ)誤差(chà)小于(yú)等于(yú)±1.0%的外(wài)夾式(shì)超聲波(bō)流(liú)量計。
2.2外夾(jiá)式超(chāo)聲波(bō)流量計換能器(qì)安裝(zhuāng)
2.2.1換能(néng)器安(ān)裝(zhuāng)方式
　　換(huàn)能器安裝方式(shì)通常有z法、v法、x法(fǎ)、w法等,應根據使用說明書并結(jié)合現場(chǎng)條(tiáo)件選(xuǎn)擇最(zuì)恰當的安(ān)裝方式,換(huàn)能器安裝方式示意(yì)圖如(rú)圖1所示。例如,當(dāng)流體(tǐ)平行(háng)于管(guǎn)軸(zhóu)流動時(shí),通常(cháng)可采(cǎi)用z法;當流體(tǐ)流動方(fāng)向與(yǔ)管(guǎn)軸不平(píng)行時,可采(cǎi)用v法(fǎ)或者x法(fǎ);當(dāng)管道(dào)長度有限(xiàn)時，使(shǐ)用x法可(kě)獲得較(jiào)好的精(jīng)度等。目(mù)前(qián)，可測(cè)的最小(xiǎo)管徑(jìng)爲φ25mm,采用v法或w法以擴大聲(shēng)程長度(dù),增加順(shùn)逆向聲傳播時(shí)間(jiān)。而乙(yǐ)法(fǎ)一般(bān)用于φ50mm以上管道(dào)。
 
2.2.2換能器安(ān)裝位置
　　換能器安裝(zhuāng)的測量管(guǎn)軸線(xiàn)應盡(jìn)可(kě)能與管(guǎn)道軸線一(yī)緻,并且需保(bǎo)證(zhèng)管内(nèi)充滿液體(tǐ)，兩換(huàn)能器(qì)之間的測量管(guǎn)軸線(xiàn)方向(xiàng)距離l需通過計(jì)算确定(dìng),并通過鋼直尺(chǐ)在(zài)被測管道上測(cè)量出(chū)測量管(guǎn)軸線方(fāng)向的距(jù)離,将(jiāng)兩換能器安(ān)裝到(dào)位。同時,需(xū)注意(yì)耦合(hé)劑的用量(liàng),确(què)保換能器與(yǔ)測量(liàng)管道要耦(ǒu)合好。并且(qiě)保證(zhèng)換能器表面的(de)清潔(jié),若表(biǎo)面污(wū)物較多(duō)，則會影(yǐng)響正常(cháng)的測量(liàng)。大口徑(jìng)管道測(cè)量時(shí)一般選擇(zé)z法安裝,安裝時一對換(huàn)能器管(guǎn)道軸向(xiàng)安裝距(jù)離和管道圓周(zhōu)方向安(ān)裝角度是否(fǒu)正确(què),直接關(guān)系(xì)到超聲波(bō)流量計流(liú)量(liàng)計(jì)量正(zhèng)确與否。目(mù)前，超聲(shēng)波流量(liàng)計換(huàn)能器(qì)在軸(zhóu)向(xiàng)方(fāng)向安裝誤(wù)差給流量測量(liàng)結果(guǒ)帶來(lái)的誤(wù)差已通過大量(liàng)實驗數據(jù)得出(chū),如日(rì)本富士公(gōng)司稱,超聲波流量計(jì)軸向安裝(zhuāng)偏差1mm,會給流量測量(liàng)結果帶來(lái)0.3%的測(cè)量誤差。同時,圓(yuán)周方向的(de)安裝(zhuāng)誤差(chà)會影(yǐng)響--對(duì)換(huàn)能器的(de)超聲(shēng)波接受強(qiáng)度,從而影響流(liú)量測量結(jié)果(但(dàn)現尚無(wú)直接數(shù)據引用(yòng))。在超聲波實際測量過(guò)程中(zhōng)，被(bèi)測管線外部(bù)塗(tú)層(céng)、管(guǎn)道(dào)鏽蝕以(yǐ)及(jí)測試(shì)地點狹小等問(wèn)題，,給換能器的正(zhèng)确安裝造成(chéng)很大(dà)的困難。一(yī)條dn800mm的(de)輸水管線(xiàn)z法安裝(zhuāng)爲例，其(qí)換能器安(ān)裝标(biāo)準(zhǔn)距(jù)離爲365mm,而實(shí)際安裝過程中(zhōng),軸線(xiàn)方向(xiàng)安裝偏差(chà)甚(shèn)至達到(dào)10mm(若管道(dào)外側鏽蝕嚴重,安裝誤(wù)差甚至(zhì)更(gèng)大(dà)),根(gēn)據經(jīng)驗用公式推算,由(yóu)安裝誤(wù)差引起的流量(liàng)偏(piān)差達到3.0%,遠超(chāo)過超(chāo)聲波流量(liàng)計儀表(biǎo)本(běn)身最大允(yǔn)許誤差1.0%。
2.3管(guǎn)道直徑測(cè)量
2.3.1管(guǎn)道外徑(jìng)測量
　　管(guǎn)道直(zhí)徑可(kě)采用現場測量(liàng)結合(hé)現場資料确認(rèn)的方法(fǎ),按照jjf(蘇(sū))228-2019《電磁流量(liàng)計在(zài)線校準(zhǔn)規(guī)範》的(de)規定(dìng),可以采用不低于(yú)1級鋼卷尺進(jìn)行現場.測(cè)量,1級鋼卷尺的(de)最大允許誤差爲±0.1mm±10-4l,但(dàn)現場(chǎng)采用(yòng)的是鋼(gāng)卷尺測(cè)量管(guǎn)道周長後(hòu)計算得出(chū)管道(dào)的直(zhí)徑,因此,所(suǒ)引入的(de)誤差至少在0.1%~0.2%。對于1m的管(guǎn)徑直(zhí)徑(jìng),引入的誤差(chà)可達到(1~2)mm。對(duì)于管道直(zhí)徑比(bǐ)較小的測(cè)量,建(jiàn)議測量(liàng)時可采用π尺等(děng)更精确(què)的測量儀(yí)器來(lái)進行(háng)測量。
2.3.2管道(dào)内徑測量(liàng)
　　管道(dào)内徑(jìng)的數值是(shì)通過管道外徑(jìng)測量(liàng)值減(jiǎn)去管(guǎn)徑壁厚(hòu)獲(huò)得。管(guǎn)徑壁厚是采用(yòng)超聲波測厚儀在換能(néng)器5個不(bú)同位(wèi)置進行測量後取平均值(zhí)。超聲波測厚儀是根(gēn)據超聲波(bō)在已知固(gù)體材料中傳播的速(sù)度和傳(chuán)播(bō)的時間來(lái)測量出試(shì)件的厚度。因此(cǐ)管道(dào)的材質必(bì)須正(zhèng)确,同(tóng)時,測(cè)量時(shí)應保證測(cè)量表面的(de)光滑性,當被(bèi)測(cè)表面(miàn)的粗(cū)糙度較大(dà)時,則會影響耦(ǒu)合效果,從而造成測量數據的偏差。
3解決(jué)方案
　　本文(wén)介紹一種(zhǒng)基于磁阻掃描(miáo)技術的流量(liàng)在(zài)線測量系(xì)統。通(tōng)過機(jī)械自動化(huà)、傳感(gǎn)器技(jì)術,結(jié)合(hé)幾何算法對(duì)數據進行采(cǎi)集與處(chù)理,獲(huò)得管(guǎn)道參數、控制超(chāo)聲換能器的自(zì)動定位(wèi)安裝,并(bìng)采用标準表法實現對流(liú)量計(jì)的在(zài)線(xiàn)校準。
　　該(gāi)系統主要(yào)由外(wài)徑測量單元、測(cè)量管軸線(xiàn)運動單元(yuán)、測量管圓周運動(dòng)單元和軟件系統組成(chéng),如圖(tú)2所示。由外徑測(cè)量(liàng)單(dān)元結(jié)合超(chāo)聲波(bō)測厚(hòu)儀的(de)測(cè)量數據(jù),可以(yǐ)确定管道内外(wài)徑的數據(jù),通過在(zài)智(zhì)能行(háng)走單.元(yuán)上安裝(zhuāng)超聲換(huàn)能(néng)器,使(shǐ)用自(zì)主開發軟件(jiàn)控(kòng)制超聲換(huàn)能器自動運行至指定位置,實現超聲(shēng)換能器(qì)自動(dòng)定位(wèi)、運行和安裝,以減少(shǎo)由探頭安(ān)裝(zhuāng)誤(wù)差引(yǐn)起的(de)流量(liàng)測量誤差。其主(zhǔ)要應用于對 大(dà)口徑電磁流量計 的(de)現場校準(zhǔn),能較大提升在線檢(jiǎn)測精(jīng)度,爲(wèi)流量計的(de)正确(què)計量(liàng)提供(gòng)技術(shù)保障(zhàng)。
 
3.1便攜(xié)式(shì)時(shí)差法(fǎ)超聲波流量計(jì)
　　本項目中的便(biàn)攜式時差(chà)法(fǎ)超聲波(bō)流量(liàng)計可測量流速(sù)範圍(0.01~25)m/s,精度(dù)等級(jí)1.0級。
3.2内(nèi)1外徑測量(liàng)單元(yuán)
3.2.1外(wài)徑(jìng)測量
　　外徑(jìng)測量(liàng)采用(yòng)弓高(gāo)弦長(zhǎng)法(fǎ),根(gēn)據設計量程的(de)需要,可測(cè)量管徑爲(wèi)dn(500~2900)mm。.
　　外徑測量(liàng)設計原理(lǐ)如圖(tú)3所示(shì)，圖中r爲(wèi)目(mù)标測量對象,a、b兩(liǎng)點爲設備觸點,a和b的主體支架(jià)采用(yòng)固定支架(jià),其中ab之(zhī)間的(de)距(jù)離爲(wèi)固定值d,y1爲伸縮量尺(chǐ),y2爲縮進距(jù)離。
 
　　其中測(cè)量活動(dòng)軸(zhóu)采用(yòng)機械式(shì)活(huó)動原(yuán)理,隻要通(tōng)過測(cè)量伸縮量尺y1縮(suō)進距(jù)離y2即可得出最(zuì)終目标r的(de)實際數值(zhí)。y1爲活(huó)動量(liàng)尺(chǐ)，具(jù)有彈(dàn)性結構,可(kě)通過(guò)容栅位移傳感(gǎn)器(qì)實現對y2的精準測(cè)量,保證精(jīng)度≥0.lmm以上測量誤(wù)差。該(gāi)部分通過(guò)位移傳(chuán)感(gǎn)器進(jìn)行模(mó)拟數據獲(huò)取,進而通(tōng)過(guò)ad數據轉換最(zuì)終獲(huò)得數字信号數據,并(bìng)傳遞到軟件中顯示(shì)。
3.2.2内徑(jìng)數據
　　管道内徑的數(shù)值是通過管道外(wài)徑(jìng)測量(liàng)值減(jiǎn)去管徑壁(bì)厚(hòu)獲(huò)得(dé)。管徑壁(bì)厚仍然采用超(chāo)聲波(bō)測厚(hòu)儀進(jìn)行測(cè)量,将(jiāng)所測數據(jù)輸(shū)人軟件(jiàn)中(zhōng)，顯示(shì)内(nèi)徑的(de)數據值。
3.3測量管軸線(xiàn)運動(dòng)單元(yuán)
　　測量管軸線運(yùn)動單元主要實現(xiàn)對(duì)兩個(gè)換能(néng)器測(cè)量管軸(zhóu)線(xiàn)方向上運動距(jù)離的控(kòng)制和定(dìng)位,主(zhǔ)要由運.動(dòng)驅動部(bù)分(fèn)和定位部分組成(chéng)。驅(qū)動部分(fèn)使(shǐ)用步進電.機(jī)控制精(jīng)密絲杆,帶動兩(liǎng)個換能(néng)器運動(dòng),實現(xiàn)測(cè)量(liàng)管(guǎn)軸(zhóu)線方向運動,保(bǎo)證運(yùn)動(dòng)精度士(shì)1mm;測量管軸線方(fāng)向(xiàng)運動定位部(bù)分采(cǎi)用鋁合(hé)金(jīn)運動(dòng)滑軌(guǐ)上安裝磁(cí)栅(shān)，通過傳(chuán)感器讀取兩個(gè)換能器之間的(de)相對距離(lí),确保定位的正(zhèng)确率(lǜ)。
3.4測量管圓周運動單元
　　測量管(guǎn)圓(yuán)周運動(dòng)單元(yuán)主要是(shì)實現對(duì)兩個換能器在圓周(zhōu)方(fāng)向上運(yùn)動的(de)控制和定位。換(huàn)能器在圓(yuán)周方(fāng)向上的(de)運(yùn)動是(shì)采用(yòng)機械(xiè)手臂來控(kòng)制。v法(fǎ)、w法的(de)換能(néng)器安(ān)裝(zhuāng)是不需要進(jìn)行圓(yuán)周運動的。z法的換能器安(ān)裝,若圓(yuán)周_上的(de)圓心角(jiǎo)是(shì)180°,則在機械(xiè)手臂上安(ān)裝角度傳(chuán)感器,确保(bǎo)兩換能器(qì)各運動的角度(dù)爲90°,即(jí)到達指定(dìng)的位置。
3.5軟(ruǎn)件系統
　　軟件系統可(kě)以顯(xiǎn)示外徑測量值.内徑測量(liàng)值、x軸(zhóu)運動坐标、圓周運(yùn)動角度(dù)、流量測量值。同(tóng)時,通(tōng)過(guò)軟(ruǎn)件的(de)調節可以控制換能器在x軸方向的運動和圓周方向的運(yùn)動(dòng)。
4結束語
　　該系統(tǒng)設計(jì)了一組精度高(gāo)的機(jī)械化運動結(jié)構和一(yī)套高效(xiào)的(de)綜合(hé)軟件系統(tǒng),實現(xiàn)了流量的(de)自動(dòng)化測(cè)量。利用磁阻(zǔ)感應技(jì)術對(duì)管線進行立(lì)體(tǐ)式定(dìng)位分析,建(jiàn)立三(sān)維模型。通(tōng)過三維建(jiàn)模實現了(le)雙(shuāng)換(huàn)能器(qì).自動可視(shì)化立體三(sān)維定位,對(duì)超聲波流(liú)量計(jì)換能(néng)器進行正(zhèng)确定位傳送,流(liú)量計進行測量(liàng)後,傳輸各(gè)類數(shù)據至(zhì)綜合軟件(jiàn)系統,并自(zì)動測得流量(liàng)數值。該(gāi)系統改變(biàn)了以往測(cè)量中(zhōng)隻能(néng)人爲手工測算(suàn)和安(ān)裝的現狀(zhuàng),不再(zài)隻依靠技術人員的經驗(yàn),而是通過數字(zì)化的自(zì)動(dòng)控制(zhì)系統操控，完成(chéng)了流量計的定(dìng)位、安裝(zhuāng)、檢測、計(jì)算,降低了(le)對技術人員操作經(jīng)驗和能力的要(yào)求,提升(shēng)了檢測(cè)效率。作(zuò)爲(wèi)一(yī)種(zhǒng)自動在線(xiàn)測量(liàng)的計量器具,其(qí)發揮的效(xiào)果将(jiāng)是帶動整個相(xiàng)關行業的發(fā)展,爲流體計(jì)量在(zài)線測(cè)量的應用發展提(tí)供更加(jiā)标(biāo)準科學的應(yīng)用參(cān)考,既爲社會帶來較(jiào)好的效益,又極(jí)大地(dì)推動(dòng)了整(zhěng)個社(shè)會相關(guān)行業的(de)進步和發展(zhǎn)。

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