摘要:本文(wen)介紹了使(shi)用 外夾式(shi)超聲波流(liú)量計 作爲(wèi)标準表對(dui) 電磁流量(liang)計 進行在(zài)線檢測的(de)方法.分析(xi)了使用該(gai)方法過程(chéng)中對測量(liàng)結👨‍❤️‍👨果的影(yǐng)響量，設計(jì)并制作了(le)一種基于(yú)磁🏃‍♀️阻掃描(miáo)技術的流(liu)量在線測(ce)量系統,通(tōng)過實驗及(jí)調試結果(guo),該系統可(kě)大幅💜度提(ti)升🌈大口徑(jìng)流體測量(liang)的測量精(jing)度。
1流量在(zai)線檢測的(de)意義
　　電磁(cí)流量計在(zai)線檢測是(shì)近年來流(liu)量儀表計(jì)量檢🏃🏻‍♂️測🙇🏻技(ji)術發🈲展的(de)一個重要(yao)方向。電磁(ci)流量計一(yī)般被✨安裝(zhuāng)在自來水(shui)輸水、地表(biǎo)水取水、污(wu)水排放等(deng)管線上，以(yi)實現管線(xiàn)🌈流量的實(shí)時計量。安(ān)裝🈚在這-類(lèi)管線上的(de)電磁流量(liang)計,其🈲口徑(jing)從(DN500~DN2000)mm不等。這(zhè)類流❄️量計(ji)不僅體積(jī)龐大,安裝(zhuāng)處還往往(wǎng)♈沒有設置(zhi)旁通管線(xiàn)。如要将該(gai)電磁流量(liang)📐計拆卸并(bìng)送至實驗(yan)室進行檢(jiǎn)測，就需要(yao)關閉儀表(biao)前段閥門(mén)🐆。而關閉閥(fá)門就會造(zào)成管💛線停(tíng)水，嚴重影(yǐng)響居民生(sheng)活和企業(yè)生産。例如(ru),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(gòng)給一個鄉(xiang)鎮的生活(huó)👈用水,如因(yīn)流量計送(song)檢關閉管(guǎn)道若幹天(tian),造成幾萬(wan)名🌈居民無(wu)法正常用(yòng)水,勢必産(chan)生較大的(de)社會影響(xiang)。
　　除此之外(wai),自來水、污(wu)水、地表水(shui)輸水管線(xiàn)大都埋入(rù)地🈲下,計量(liang)儀表一-般(ban)安裝在1m見(jian)方的設備(bei)井中,設計(jì)時未考慮(lǜ)流量儀表(biao)拆卸送檢(jian)的需求，拆(chai)卸空間嚴(yán)重受限,從(cong)而導緻此(cǐ)類儀表無(wú)法拆卸送(sòng)檢。因此,實(shi)踐中存在(zai)㊙️較多流量(liang)計自安裝(zhuang)後就未再(zài)檢定或校(xiao)準,其計量(liang)性能也難(nán)以得到保(bao)證。在貿易(yì)交接中，雙(shuāng)方在交易(yi)量出現較(jiào)大分歧時(shi),由于沒有(yǒu)可靠的測(cè)量數據做(zuò)依據,因此(cǐ)損害了雙(shuāng)方的👣經濟(jì)利益。近幾(ji)年，随着相(xiàng)關企業精(jing)細化管理(lǐ)要求的提(tí)高,其對大(da)口徑流量(liang)計儀表在(zài)線檢定、檢(jiǎn)測的需求(qiú)也變得愈(yu)發強烈。
　　目(mù)前,對電磁(ci)流量計的(de)在線測量(liàng)主要有三(sān)種方式，即(ji):使❌用外夾(jiá)式超聲波(bo)流量計作(zuo)爲标準表(biǎo);使用串聯(lian)移動式校(xiao)準裝置作(zuò)爲标準表(biao)稱重法。其(qi)中,使用 便(bian)攜式時差(cha)法超聲波(bō)流量計 作(zuo)爲标準表(biǎo)時,測量的(de)管徑範圍(wei)較大,使用(yong)範圍較廣(guang)㊙️。本文重🏃點(diǎn)研究該方(fāng)法在現場(chang)在線檢測(cè)中的影響(xiang)因素和解(jie)決方案。
2外(wài)夾式超聲(sheng)波流量計(jì)作爲标準(zhun)表對測量(liàng)的影響量(liang)
　　 外夾式超(chāo)聲波流量(liang)計因其攜(xie)帶和使用(yong)方便,廣泛(fan)應用🥵于🌈純(chún)淨水、污水(shuǐ)、油品等其(qí)他液體介(jiè)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(ji)🔆在實際檢(jian)測過程中(zhōng)應用了時(shi)差法原理(li),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(gao)。随着檢測(cè)技術的發(fa)展,特别是(shi)時間測量(liang)技術的不(bu)斷更新升(sheng)級,外夾式(shi)超聲波流(liu)量計流量(liàng)的測量誤(wù)差越來越(yuè)小。電磁流(liú)量計的誤(wù)差一般在(zai)3%~5%之間,而外(wài)夾式超聲(shēng)⭐波流量計(ji)的最大允(yun)許誤差可(ke)以達到1%,甚(shen)至更小。因(yīn)此,采用外(wai)夾式超聲(sheng)波流量計(ji)對其進行(hang)校準滿足(zu)三分之一(yi)原則，是切(qiē)實可行的(de)。
　　根據平時(shí)工作中使(shi)用經驗以(yǐ)及對相關(guān)專業資料(liào)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(zhǔn)表時🔆,若超(chao)聲波流量(liang)計安裝現(xiàn)場所需的(de)直管段滿(man)足不🧑🏽‍🤝‍🧑🏻同條(tiao)件下對直(zhí)🙇‍♀️管長度的(de)要求,那麽(me)⛷️對測量的(de)影響量主(zhǔ)‼️要有:外夾(jiá)式超聲波(bo)☁️流量計的(de)最大允許(xǔ)誤差外夾(jiá)式超聲波(bo)流量計換(huàn)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(jiǎn)便、測量方(fang)便的特點(diǎn),已成爲最(zuì)常用的在(zài)線檢測設(she)備。它是将(jiāng)一對換能(neng)器外夾在(zai)測量管道(dào)上,互相發(fā)射接收超(chao)聲波.信号(hao),聲💁波在檢(jian)🛀🏻定介質中(zhōng)順流、逆流(liú)行💘進--段距(jù)離，通過兩(liang)次行進時(shí)間的比較(jiao),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(yòng)于電磁流(liu)量計的在(zai)線測量,則(zé)需選用最(zui)大允許誤(wu)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(sheng)波流量計(ji)換能器安(ān)裝
2.2.1換能器(qi)安裝方式(shì)
　　換能器安(an)裝方式通(tōng)常有Z法、V法(fǎ)、X法、W法等,應(ying)根據使用(yòng)♌說明書并(bìng)結合現場(chǎng)條件選擇(zé)最恰當的(de)安裝方式(shi),換能器安(ān)👣裝方式示(shì)意圖如圖(tu)1所示。例如(ru),當流體平(ping)行于管軸(zhou)流動時,通(tong)常⭐可采用(yong)✏️Z法;當流體(ti)流動方向(xiàng)與管軸不(bu)平行時,可(ke)采用V法或(huo)者X法;當管(guan)🍉道長度有(yǒu)限時，使用(yòng)X法🌏可獲得(dé)較好的精(jīng)度等。目前(qián)，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(bo)時間。而乙(yǐ)法一般用(yòng)于φ50mm以♈上管(guǎn)道。
 
2.2.2換能器(qi)安裝位置(zhì)
　　換能器安(ān)裝的測量(liang)管軸線應(ying)盡可能與(yu)管道軸線(xian)一緻,并且(qiě)需🔴保證管(guǎn)内充滿液(yè)體，兩換能(néng)器之間的(de)測量管軸(zhóu)線方🔞向距(ju)♈離L需通過(guo)計算确定(dìng),并通過鋼(gāng)直尺在被(bei)測管道上(shang)測量出測(ce)量管軸線(xiàn)方向的距(ju)離,将兩換(huan)能器安裝(zhuang)🈲到位。同時(shi),需注意耦(ǒu)合劑的用(yong)量,确保換(huan)能器與測(ce)量管道要(yao)耦合好♊。并(bing)且保證換(huan)能器表面(mian)的❌清潔,若(ruo)表面污物(wù)🍉較多，則會(hui)影響正常(chang)的測量。大(da)口徑管㊙️道(dao)測量時一(yi)般選擇Z法(fa)安裝,安裝(zhuāng)時一對換(huàn)能器管道(dào)❗軸向安裝(zhuāng)距離和管(guǎn)道圓周方(fang)向安裝角(jiao)🥵度是否正(zheng)确,直接關(guan)系到超聲(sheng)波流量計(ji)流量計量(liang)正确與否(fou)。目前，超聲(sheng)波流量計(jì)換能器在(zai)💚軸向方向(xiang)安裝誤差(cha)給流量💜測(ce)量結果帶(dai)來的誤差(cha)☎️已通🤟過大(da)量實驗數(shù)據得🏃🏻出,如(ru)日本富士(shi)公司稱,超(chao)聲波流量(liàng)⭐計軸向安(an)裝偏差1mm,會(huì)給流量測(cè)量結果帶(dai)來0.3%的測量(liang)誤差。同時(shi),圓周方向(xiang)的安裝誤(wù)差會影響(xiang)--對換能器(qì)的超聲波(bo)✌️接受強度(dù)🏒,從而影響(xiǎng)流量測量(liang)結果(但現(xian)尚無直接(jie)數據引用(yong))。在超聲波(bo)實際測量(liàng)🔞過程中，被(bèi)測管線外(wai)部塗層、管(guan)🌈道鏽蝕以(yǐ)及測試地(di)點狹小等(deng)問題，,給換(huan)能器的正(zhèng)确安裝造(zào)成很大的(de)🏃🏻困難。一條(tiao)DN800mm的輸水管(guǎn)線Z法安裝(zhuāng)爲例，其換(huan)能器安裝(zhuang)标準距離(lí)爲365mm,而實際(ji)安裝過程(cheng)中,軸線方(fang)向安裝偏(piān)差甚至達(da)到10mm(若管道(dào)外側鏽蝕(shí)嚴重,安裝(zhuang)誤㊙️差甚至(zhì)🤩更大),根據(jù)經驗用公(gong)式推🏃‍♀️算,由(you)安裝誤差(cha)引起的流(liú)量偏差達(dá)到3.0%,遠超過(guo)超聲波流(liú)量計儀表(biao)本身最大(da)允許誤⛷️差(chà)1.0%。
2.3管道直徑(jing)測量
2.3.1管道(dào)外徑測量(liàng)
　　管道直徑(jing)可采用現(xian)場測量結(jie)合現場資(zī)料确認的(de)📞方法,按照(zhao)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(liàng),1級鋼卷尺(chi)的最大允(yǔn)許誤差爲(wei)±0.1mm±10-4L,但現場采(cai)用的是鋼(gang)卷尺測量(liang)管道周長(zhǎng)後計算得(de)出管道的(de)直徑,因此(cǐ),所引入的(de)⭐誤差至少(shao)在0.1%~0.2%。對于1m的(de)管徑直徑(jing),引入的🈲誤(wù)差可達到(dao)(1~2)mm。對于管道(dao)直徑比較(jiào)小的測量(liàng),建議測量(liang)時可采用(yong)π尺等更精(jing)确的測量(liàng)儀器來進(jìn)行測量。
2.3.2管(guǎn)道内徑測(ce)量
　　管道内(nei)徑的數值(zhi)是通過管(guan)道外徑測(ce)量值減去(qu)管👉徑壁厚(hou)獲得。管徑(jìng)壁厚是采(cǎi)用超聲波(bo)測厚儀在(zài)換能器🥵5個(gè)不同位🈚置(zhì)進行測量(liàng)後取平均(jun1)值。超聲波(bō)測👅厚儀是(shi)根據超聲(shēng)波在已知(zhi)固體材料(liào)中傳播的(de)速度和傳(chuan)播♊的時間(jian)來測量出(chu)試件的厚(hou)度。因此管(guan)道的材質(zhi)必須🈲正确(què),同時,測量(liàng)時應保證(zhèng)測量表面(miàn)的🐇光滑性(xìng),當被測表(biǎo)面的粗糙(cāo)度較大時(shí),則會影響(xiang)耦合效果(guǒ),從而造成(cheng)測量數據(jù)的偏差。
3解(jiě)決方案
　　本(běn)文介紹一(yī)種基于磁(cí)阻掃描技(jì)術的流量(liang)在線測量(liang)😍系統✏️。通過(guo)機械自動(dòng)化、傳感器(qi)技術,結合(he)幾何算法(fa)對數據進(jin)行🤩采集與(yu)處⚽理,獲得(de)管道參數(shu)、控制超聲(sheng)換能器的(de)自動定位(wèi)安裝,并采(cai)用标準表(biao)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(yuan)、測量管軸(zhou)線運動單(dan)元、測量⭐管(guan)圓周運動(dòng)單元和軟(ruan)件系統組(zǔ)成,如圖2所(suo)示。由外徑(jing)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(nei)外徑的數(shù)據,通過在(zài)智能行走(zǒu)單.元上安(an)裝超聲換(huàn)能器,使用(yong)⭕自主開發(fā)軟件控制(zhi)超聲換能(neng)器自動運(yùn)行至指定(ding)位置,實🙇‍♀️現(xian)超聲換能(neng)器自動定(ding)位⭕、運行和(hé)安裝,以減(jiǎn)少由探頭(tóu)安裝☔誤差(cha)引起的流(liu)量測量誤(wù)差。其主要(yao)應用于對(duì) 大口徑電(diàn)磁流量計(ji) 的現場校(xiào)準,能較大(dà)提升在線(xian)檢測精度(dù),爲流量計(ji)的正确計(ji)量提供技(jì)術保障。
 
3.1便(biàn)攜式時差(cha)法超聲波(bo)流量計
　　本(ben)項目中的(de)便攜式時(shi)差法超聲(sheng)波流量計(ji)可測量🏃🏻流(liú)速範圍(0.01~25)m/s,精(jīng)度等級1.0級(jí)。
3.2内1外徑測(ce)量單元
3.2.1外(wài)徑測量
　　外(wai)徑測量采(cǎi)用弓高弦(xian)長法,根據(ju)設計量程(cheng)的需要🌈,可(ke)測量管⁉️徑(jing)🔴爲DN(500~2900)mm。.
　　外徑測(ce)量設計原(yuán)理如圖3所(suǒ)示，圖中R爲(wei)目标測量(liang)對象,A、B兩點(diǎn)爲☁️設備觸(chu)點,A和B的主(zhǔ)體支架采(cai)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(liàng)尺,Y2爲縮進(jin)距♋離。
 
　　其中(zhong)測量活動(dòng)軸采用機(jī)械式活動(dong)原理,隻要(yao)通過測❓量(liang)伸縮量尺(chǐ)Y1縮進距離(lí)Y2即可得出(chu)最終目标(biāo)R的實♊際數(shù)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(chuán)感器實現(xian)對Y2的精準(zhun)測量,保證(zhèng)精度≥0.lmm以上(shang)測量✉️誤差(chà)。該部分通(tong)過位移傳(chuán)感器進行(hang)模拟數據(ju)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(ju),并傳🐅遞到(dao)軟件中顯(xiǎn)示。
3.2.2内徑數(shù)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(sheng)波測厚儀(yi)進🌈行測量(liang),将所測🔴數(shù)據輸人軟(ruan)件中，顯示(shì)内徑的數(shu)據㊙️值。
3.3測量(liang)管軸線運(yùn)動單元
　　測(cè)量管軸線(xiàn)運動單元(yuan)主要實現(xian)對兩個換(huan)能器測量(liang)管⁉️軸👉線方(fang)向上運動(dong)距離的控(kòng)制和定位(wei),主要由運(yùn).動驅動部(bu)分和定位(wèi)部分組成(cheng)。驅動部分(fèn)使用步👅進(jìn)電.機控制(zhì)精㊙️密絲杆(gan),帶動兩☀️個(gè)換能器運(yùn)動,實現測(cè)量管軸線(xiàn)方向運動(dòng),保證運🛀動(dong)精度士1mm;測(ce)量管軸線(xiàn)方向運動(dòng)定位部分(fèn)采用鋁合(hé)金運動滑(hua)軌上安裝(zhuāng)磁栅，通過(guo)傳感器讀(dú)取兩個👨‍❤️‍👨換(huàn)能器之間(jiān)的相對距(jù)離,确保定(ding)位的正确(que)率。
3.4測量管(guǎn)圓周運動(dòng)單元
　　測量(liang)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(kong)制和定位(wèi)。換能器在(zai)圓周方向(xiàng)上的運動(dòng)👄是采用機(ji)械手臂來(lai)控制。V法、W法(fǎ)的換能器(qi)安裝是不(bu)需要進行(háng)圓周運動(dòng)的。Z法的換(huan)能器安裝(zhuāng),若圓周_上(shàng)的圓心角(jiǎo)是180°,則在機(jī)械手❗臂上(shàng)安裝🈲角度(du)傳感器,确(què)保兩換能(neng)器各運動(dòng)的🈲角度爲(wei)90°,即到達指(zhi)定的位置(zhì)。
3.5軟件系統(tǒng)
　　軟件系統(tong)可以顯示(shì)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(jiao)度、流量測(ce)量值。同時(shí),通過軟件(jian)的調🧑🏽‍🤝‍🧑🏻節可(ke)以控制換(huàn)能器在X軸(zhou)方向的運(yùn)動和圓周(zhōu)方向的運(yun)動。
4結束語(yu)
　　該系統設(she)計了一組(zǔ)精度高的(de)機械化運(yùn)動結構和(he)一套㊙️高效(xiào)的綜合軟(ruan)件系統,實(shi)現了流量(liang)的自動化(hua)測量💁。利用(yòng)磁阻感應(yīng)技術對管(guǎn)線進行立(lì)體式定位(wei)💘分析,建✏️立(lì)三維模型(xing)。通過三維(wei)建模實現(xiàn)了雙換能(neng)器.自動可(kě)視化立體(tǐ)三維定位(wei),對超聲波(bo)㊙️流量計換(huan)㊙️能器進行(háng)正确定位(wèi)傳送🚶,流量(liang)計進行測(cè)量後,傳輸(shū)👈各類數據(ju)至綜合軟(ruan)件系統,并(bing)⭐自動測得(dé)流量數值(zhi)。該系統改(gai)變了以🌂往(wǎng)測量中隻(zhi)能人爲手(shǒu)工測算和(hé)🥰安🚶裝的現(xian)狀,不再隻(zhī)依靠技術(shù)人員的經(jīng)🌈驗,而是通(tōng)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(suàn),降低了對(duì)技術人員(yuán)操作經驗(yan)♍和能力的(de)要求,提升(shēng)了檢💰測效(xiao)率。作爲一(yi)種自動在(zài)線測量的(de)計量器具(jù),其發揮的(de)效果将是(shi)帶動整個(ge)相關行業(yè)的發展,爲(wei)流體計量(liang)在線測量(liàng)✂️的應用發(fā)展提供更(gèng)加标準科(ke)學的應用(yong)參考,既爲(wei)社會帶來(lai)較好的效(xiào)益,又極大(dà)♻️地推動了(le)🌈整個社會(hui)相關行業(ye)的進步和(hé)發展。

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