摘要:本(ben)文介紹了使(shǐ)用 外夾式超(chao)聲波流量計(jì) 作爲标準表(biao)對 電磁流量(liàng)計 進行在線(xian)檢測的方法(fǎ).分析了使用(yòng)該方法過程(chéng)中對測量結(jie)果的影響量(liàng)，設計并制作(zuò)了一種基于(yú)磁阻掃描技(jì)術的流量在(zai)線🌈測量系統(tǒng),通過實驗及(jí)調試結果,該(gāi)系統可大幅(fu)度提升大口(kou)徑流體測量(liàng)的測量精度(du)。
1流量在線檢(jiǎn)測的意義
　　電(diàn)磁流量計在(zài)線檢測是近(jìn)年來流量儀(yí)表計量檢測(ce)技術發🐅展的(de)一個重要方(fang)向。電磁流量(liang)計一般被安(an)裝在自來水(shuǐ)輸水、地表水(shuǐ)取水、污水排(pái)放等管線上(shàng)，以實現管線(xian)流量的實時(shí)計量。安裝在(zài)這-類管線上(shang)的電磁流量(liàng)計,其口徑從(cong)(DN500~DN2000)mm不等。這類流(liú)量計不僅體(ti)積龐大,安裝(zhuang)處還往往沒(méi)有設置旁通(tōng)管線。如要将(jiāng)該電磁流量(liang)計拆卸并送(song)至實驗室進(jìn)行檢測，就需(xu)要關閉儀表(biǎo)前段閥門。而(ér)關閉閥門就(jiu)會造成管線(xian)停水，嚴重影(ying)響居✌️民生活(huo)和企業生産(chǎn)。例如,安裝一(yi)台公稱直徑(jìng)爲DN500mm的電磁流(liu)量計的自來(lái)水管線,需💰要(yào)供給一個鄉(xiang)鎮的生活用(yong)水,如因流量(liàng)計送檢關閉(bì)管道若幹天(tiān),造成幾萬名(míng)居民無法正(zhèng)常用水,勢必(bì)産生較大的(de)社會影響。
　　除(chú)此之外,自來(lái)水、污水、地表(biao)水輸水管線(xiàn)大都埋入地(di)下,計量儀表(biao)一-般安裝在(zai)1m見方的設備(bèi)井中,設計♉時(shí)未考慮流量(liàng)儀表拆卸送(song)檢的需求，拆(chai)卸空間嚴重(zhong)受限,從而導(dǎo)緻此類儀表(biǎo)無💜法拆卸送(song)檢。因此,實🚶踐(jiàn)中存在較多(duō)流量計自安(ān)裝後就未再(zài)檢定或校準(zhǔn),其計量性能(néng)也難以得到(dào)保證。在貿易(yi)交接中，雙方(fang)在交易量出(chū)現較大分歧(qi)時,由于沒有(you)可靠的測🔴量(liàng)數據做依據(jù),因此損害了(le)雙方的經濟(jì)利益。近幾年(nián)，随着相關企(qi)業精細化管(guan)理要求的提(tí)高,其對大口(kou)徑流量計儀(yi)表在線檢定(dìng)、檢測的需求(qiú)也變得愈🐇發(fa)強烈。
　　目前,對(duì)電磁流量計(jì)的在線測量(liàng)主要有三種(zhong)方式，即:使用(yong)外夾式超聲(shēng)波流量計作(zuo)爲标準表;使(shi)用串🚩聯移動(dong)式校準裝置(zhi)作爲标準表(biǎo)稱重法。其中(zhōng),使用 便攜式(shi)時差法超聲(shēng)波流量計 作(zuò)爲标準表時(shí),測量的管徑(jìng)範圍較大,使(shǐ)用範圍較廣(guang)。本文🐉重點研(yán)究該方法在(zài)現場在線檢(jiǎn)測中的影響(xiǎng)因👅素和解決(jué)🏃‍♀️方案。
2外夾式(shi)超聲波流量(liang)計作爲标準(zhun)表對測量的(de)影響✔️量✊
　　 外夾(jia)式超聲波流(liú)量計因其攜(xié)帶和使用方(fang)便,廣泛應用(yong)于純淨🔅水、污(wū)水、油品等其(qi)他液體介質(zhì)和天然氣、空(kōng)🏃🏻‍♂️氣等氣體介(jie)質的測量。”外(wai)夾式超聲波(bo)流量計在實(shí)際檢測過程(chéng)中應用了時(shi)差法原🔞理,實(shí)現對流量的(de)測量。時差法(fǎ)在實際應用(yong)✂️時，對時差☁️分(fen)辨力的要求(qiú)較高。随着檢(jiǎn)測技術的發(fā)展,特别☀️是時(shi)間測量技術(shu)的不斷更新(xīn)升級,外夾式(shì)超聲波流量(liàng)計流量的測(cè)量誤差越來(lai)❗越小。電磁流(liú)量計的誤差(cha)一般在3%~5%之間(jian),而外夾式超(chao)聲🛀波流量計(jì)的最大允許(xu)誤差可以達(da)到1%,甚🐉至更小(xiao)。因此,采用外(wài)夾式超聲波(bō)流🔴量計🤩對其(qí)進行校準滿(man)足三分之一(yi)原則，是切實(shi)可行的🔴。
　　根據(ju)平時工作中(zhōng)使用經驗以(yǐ)及對相關專(zhuan)業資料的🔴研(yan)究,總結分析(xī)得出,選用外(wài)夾式超聲波(bo)流量計📞作爲(wei)标準表時,若(ruo)超聲波流量(liàng)計安裝現場(chang)所需的直管(guǎn)段滿足不同(tong)條件下對直(zhi)管長度的要(yào)求,那麽對測(ce)量的影響量(liang)主要有:外夾(jiá)式超聲波流(liu)量計的🈲最大(dà)允許誤差外(wai)夾式超聲波(bō)流量計換能(néng)器安裝、管道(dao)直徑測量。
2.1外(wài)夾式超聲波(bō)流量計的最(zui)大允許誤差(chà)
　　外夾式超聲(sheng)波流量計因(yin)其安裝簡便(biàn)、測量方便的(de)特點,已成爲(wèi)♋最常用的在(zai)線檢測設備(bèi)。它是将一對(dui)換能器外夾(jia)在測量管道(dao)上,互相發射(shè)接收超聲波(bo).信号,聲波在(zài)檢定介質中(zhōng)順流、逆流行(háng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進--段距離，通(tōng)過兩次行進(jin)時間的👄比較(jiào),确定被測介(jiè)質的流速。根(gen)據JJG1030-2007《超聲流量(liàng)計檢定規程(chéng)》可知，最大允(yǔn)許誤差分爲(wèi):±0.2%、±0.5%、±1.0%、±1.5%、±2.5%。而用于電磁(cí)流量計的在(zai)線測量,則需(xū)選用最♊大允(yǔn)許誤差小✌️于(yú)等于±1.0%的外夾(jia)式超聲波流(liú)量計。
2.2外夾式(shi)超聲波流量(liàng)計換能器安(an)裝
2.2.1換能器安(an)裝方式
　　換能(néng)器安裝方式(shi)通常有Z法、V法(fa)、X法、W法等,應根(gen)據使用說明(míng)書并結合現(xian)場條件選擇(ze)最恰當的安(ān)裝方式,換能(néng)器安裝方式(shì)示意圖如圖(tú)1所示。例如,當(dang)流體平行于(yu)管軸流動時(shi),通常可采用(yòng)🔞Z法;當流體流(liú)動方向與管(guǎn)軸不平行時(shi),可采用V法或(huo)㊙️者X法;當管道(dào)長度有限時(shí)，使用X法可獲(huò)得較好的精(jing)度等。目前，可(kě)測的最小管(guǎn)徑爲φ25mm,采用V法(fǎ)或W法以擴大(da)聲程長度,增(zeng)加順逆向聲(sheng)傳播時間。而(ér)乙法一般用(yòng)于φ50mm以上管道(dao)。
 
2.2.2換能器安裝(zhuang)位置
　　換能器(qi)安裝的測量(liang)管軸線應盡(jin)可能與管道(dao)軸線一緻,并(bìng)🆚且需保證管(guan)内充滿液體(ti)，兩換能器之(zhī)間的測量管(guǎn)軸線方向距(jù)離L需通過計(ji)算确定,并通(tong)過鋼⛱️直尺在(zai)被測管道上(shang)測量出測量(liàng)管軸線方向(xiàng)的距離,将兩(liang)換能器安裝(zhuang)到位。同時,需(xu)注意耦合劑(jì)的用量,确保(bao)換能👈器與測(cè)量管道要耦(ou)合好。并且保(bǎo)證換能器表(biǎo)面的清🚶‍♀️潔,若(ruò)表面污物較(jiao)多，則會影響(xiang)正常🔞的測量(liàng)。大⛷️口徑管道(dao)測量時一般(bān)選擇Z法安裝(zhuang),安裝時一對(dui)換能器管道(dào)🔞軸向安裝距(ju)離和👌管🌈道圓(yuán)周方向安裝(zhuang)角☁️度是否正(zheng)确,直接關系(xi)到超聲波流(liú)🌈量計流量計(ji)量正确與否(fǒu)。目前，超聲波(bo)流量計㊙️換能(néng)器在軸向方(fāng)向安📧裝誤差(chà)給流量測量(liàng)結果帶來的(de)誤差已通☂️過(guo)大量實驗數(shù)據得出,如日(ri)本富士公司(sī)稱,超🙇‍♀️聲波流(liu)量計軸向安(an)裝偏差1mm,會給(gei)流量測量結(jié)果帶來0.3%的測(ce)量誤差。同時(shi),圓周方向的(de)安裝誤差會(huì)影響--對換能(néng)器的超聲波(bō)💜接受強度,從(cong)而影🍓響流量(liang)測量結果(但(dàn)現尚無直接(jie)數據引用)。在(zai)超聲波實際(ji)測量過程中(zhong)，被測❓管線外(wai)部塗層、管道(dào)鏽蝕以及測(ce)試地點狹小(xiao)等問題，,給換(huàn)能器的正确(que)安裝😘造成很(hen)大的困難。一(yī)條DN800mm的輸水管(guǎn)線Z法安裝爲(wei)例，其換能器(qi)安㊙️裝标準距(ju)離爲365mm,而實際(jì)安裝過程中(zhōng),軸線方向安(an)裝偏🏃差甚至(zhì)達到10mm(若管道(dào)外側鏽蝕🏃嚴(yán)重,安裝誤差(cha)甚至更大),根(gen)據經驗用公(gong)式推🏃🏻算,由安(ān)裝誤差引起(qǐ)的流量偏差(chà)達到3.0%,遠超過(guò)超聲波流量(liàng)計儀表本身(shēn)最大✏️允許誤(wù)♻️差1.0%。
2.3管道直徑(jìng)測量
2.3.1管道外(wai)徑測量
　　管道(dao)直徑可采用(yòng)現場測量結(jie)合現場資料(liào)确認的🐕方法(fa),按照JJF(蘇)228-2019《電磁(ci)流量計在線(xian)校準規範》的(de)規定,可以采(cǎi)用不低于1級(jí)鋼卷尺進行(hang)現場.測量,1級(jí)鋼卷尺的最(zuì)大允許誤差(chà)爲±0.1mm±10-4L,但現場采(cai)用的是鋼卷(juan)尺測量管道(dào)周長後計算(suàn)得出管道的(de)直徑,因此,所(suo)引入的誤差(chà)至少在0.1%~0.2%。對于(yú)1m的管徑直徑(jing),引入的誤差(chà)可達到(1~2)mm。對于(yú)管道直💚徑比(bi)較小的測量(liàng),建議測量時(shi)可采用π尺等(děng)更精确的測(cè)量儀器來進(jìn)行測量。
2.3.2管道(dao)内徑測量
　　管(guan)道内徑的數(shù)值是通過管(guan)道外徑測量(liàng)值減去管徑(jing)壁厚獲得。管(guǎn)徑壁厚是采(cai)用超聲波測(ce)厚儀在換能(néng)器5個不同位(wei)置進行測🤞量(liang)後取平均值(zhi)。超聲波測厚(hòu)儀是根據超(chao)聲波在已知(zhī)固體材料🏃‍♀️中(zhong)傳播的速度(du)和傳播的時(shí)間來測量出(chu)試件的厚度(du)。因此管道的(de)材質必須正(zhèng)确,同時,測量(liang)時應保證測(ce)量表面的光(guāng)滑性,當被測(cè)表面的粗糙(cāo)度☂️較大時,則(ze)會影響耦合(he)效果,從🔆而造(zao)成測量數據(ju)的偏差。
3解決(jue)方案
　　本文介(jiè)紹一種基于(yú)磁阻掃描技(ji)術的流量在(zài)線測量系統(tǒng)。通過🍓機械自(zì)動化、傳感器(qì)技術,結合幾(jǐ)何算💞法對數(shu)據進行采集(ji)與處理,獲得(de)管道參數、控(kong)制超聲換能(neng)器的自動定(dìng)位安裝,并采(cai)用标準表法(fa)實現對流量(liang)計的在線校(xiào)準。
　　該系統主(zhu)要由外徑測(cè)量單元、測量(liàng)管軸線運動(dong)單元、測量管(guan)圓⛱️周運動單(dan)元和軟件系(xì)統組成,如圖(tú)2所示。由外徑(jing)測量單元結(jie)合超聲波測(cè)厚儀的測量(liàng)數據,可以🈲确(que)定管⛹🏻‍♀️道内外(wai)徑的數🎯據,通(tong)過在智能行(hang)走🤩單.元上安(ān)裝超聲換能(néng)器,使用🚶‍♀️自主(zhu)開發軟件控(kòng)制♈超聲換能(néng)器自動運行(hang)至指定位置(zhi),實現超聲換(huan)能🔞器自動定(dìng)位⭐、運行和安(ān)裝,以減少由(yóu)探頭安裝誤(wù)差引起的流(liú)量測量👨‍❤️‍👨誤差(chà)。其💞主要應用(yòng)于對 大口徑(jing)電磁流量計(jì) 的現場校準(zhǔn),能較大提升(sheng)在線檢測精(jing)度,爲流量計(jì)的正确計🌈量(liàng)提供技術保(bao)障。
 
3.1便攜式時(shi)差法超聲波(bo)流量計
　　本項(xiàng)目中的便攜(xié)式時差法超(chāo)聲波流量計(jì)可測量流速(su)範圍(0.01~25)m/s,精度等(deng)級1.0級。
3.2内1外徑(jìng)測量單元
3.2.1外(wai)徑測量
　　外徑(jing)測量采用弓(gōng)高弦長法,根(gen)據設計量程(cheng)的需要,可測(cè)量管徑爲DN(500~2900)mm。.
　　外(wài)徑測量設計(ji)原理如圖3所(suǒ)示，圖中R爲目(mù)标測量對象(xiang),A、B兩點爲設備(bèi)觸點,A和B的主(zhu)體支架采用(yòng)固定支架,其(qi)中🌈AB之間📧的距(ju)離爲固定值(zhi)D,Y1爲伸縮量尺(chi),Y2爲縮進距離(lí)。
 
　　其中測量活(huo)動軸采用機(ji)械式活動原(yuán)理,隻要通過(guo)測量伸縮量(liàng)尺Y1縮進距離(li)Y2即可得出最(zuì)終目标R的實(shí)際數🌈值。Y1爲活(huo)動量尺，具有(yǒu)彈性結構,可(kě)通過容栅位(wèi)移傳感器實(shi)現🏒對Y2的精準(zhǔn)測量,保證精(jīng)♈度≥0.lmm以上測量(liàng)誤差。該部分(fèn)通過位🈲移傳(chuan)感器進行模(mo)拟數據獲取(qǔ)👉,進而通過AD數(shu)據轉換最終(zhōng)獲得數字信(xin)号數據,并傳(chuan)⭐遞到軟件中(zhōng)顯示。
3.2.2内徑數(shù)據
　　管道内徑(jìng)的數值是通(tōng)過管道外徑(jìng)測量值減去(qù)管徑壁厚獲(huò)得。管徑壁厚(hou)仍然采用超(chao)聲波測厚儀(yi)進行測量,将(jiāng)所測數據輸(shu)人軟件中，顯(xian)示内徑的數(shu)據值。
3.3測量管(guǎn)軸線運動單(dān)元
　　測量管軸(zhou)線運動單元(yuan)主要實現對(dui)兩個換能器(qi)測量管☎️軸線(xian)方向上運動(dòng)距離的控制(zhì)和定位,主要(yào)由🈲運.動驅動(dong)部分和定位(wèi)部分組成。驅(qū)動部分使用(yong)步進電.機🔴控(kong)制精密絲杆(gan)✏️,帶動兩個換(huan)能器運動,實(shí)現測量管軸(zhóu)線方向運動(dòng),保證運🈲動精(jing)度士1mm;測量管(guǎn)軸線方向運(yùn)動定位部分(fen)采用鋁合金(jin)運動滑軌上(shàng)安裝磁栅，通(tōng)過傳感器讀(dú)取兩個換能(néng)器之間的相(xiàng)對距離,确保(bǎo)定位的正确(que)率。
3.4測量管圓(yuan)周運動單元(yuan)
　　測量管圓周(zhōu)運動單元主(zhu)要是實現對(dui)兩個換能器(qi)🔞在✌️圓周方向(xiang)上運動的控(kòng)制和定位。換(huàn)能器在圓周(zhōu)方向上的運(yùn)動是采用機(jī)械手臂來控(kong)制。V法、W法的換(huan)能器安裝是(shì)不需要進行(háng)圓周🧑🏾‍🤝‍🧑🏼運動的(de)。Z法的換能器(qì)安裝,若圓周(zhōu)_上的圓心角(jiao)是180°,則在機械(xiè)手臂上安裝(zhuāng)角度傳感器(qì),确保兩換能(neng)器各運動的(de)⭐角度爲90°,即到(dào)達指定的位(wèi)置。
3.5軟件系統(tong)
　　軟件系統可(ke)以顯示外徑(jing)測量值.内徑(jing)測量值、X軸運(yun)動坐标、圓周(zhōu)運動角度、流(liu)量測量值。同(tóng)時,通過軟件(jiàn)的調節可✏️以(yi)控制換能器(qi)在X軸方向的(de)運動和圓周(zhou)方向的運動(dong)。
4結束語
　　該系(xì)統設計了一(yī)組精度高的(de)機械化運動(dong)結構和一套(tao)高效的綜合(he)軟件系統,實(shí)現了流量的(de)自動化測量(liang)。利用磁阻感(gǎn)應技術對管(guǎn)線進行立體(ti)式定位分析(xī),建立三維模(mó)型。通過三維(wei)建模實現了(le)雙換能器.自(zì)動可❤️視化立(lì)體三維定位(wèi),對超聲波流(liu)量計換㊙️能器(qi)進行正确定(ding)位傳送,流量(liàng)計進行測量(liang)後,傳輸各類(lèi)數據至綜合(hé)軟件系統,并(bìng)自動測得流(liu)量數值。該系(xì)統改變了以(yi)📞往測量中隻(zhi)能人爲手工(gong)測算和安裝(zhuāng)的現狀,不再(zài)隻依靠技術(shù)人員的經🌐驗(yan),而是通過數(shù)字化的自動(dong)控制系統操(cao)控，完成了流(liu)量計的⛷️定位(wei)、安裝、檢測、計(ji)算,降低♌了對(duì)技術人員操(cao)作經驗🌈和能(neng)力的要求,提(tí)升了檢測🏃🏻效(xiào)率。作爲一種(zhong)自動在線測(ce)量的計量器(qì)具,其發🧡揮的(de)效🎯果将是帶(dài)動整個相關(guān)行業的發展(zhǎn),爲流體計量(liang)在線測量💚的(de)應用發展提(tí)供更加标準(zhun)科學的應用(yong)參考,既爲社(she)會帶來較好(hao)的效益,又極(jí)大地推動了(le)整個社會相(xiang)關行業的進(jìn)🏃🏻‍♂️步和發展。

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