气体流量计在线检定系统

摘要: 基于气体流量计离线送检成本较高以及超声波流量计高精确度、高稳定性的特点，根据时差法超声波流量计的工作原理，设计出一套可对气体流量计进行在线检定的标准装置。现场实验证明: 系统可实现标准超声波流量计和被检流量计的流量数据采集，显示以及数据处理，并通过实验分析了影响检测精确度的各种因素，为气体流量计的计量检定和量值溯源提供了有效保障。

气体流量计在线检定系统
0、引言：
  随着天然气的日益普及，各种燃气流量计的在线检定问题有待解决。近几年来，超声波流量计在管道流量测量方面得到了广泛的应用，特别是大口径管道的测量。目前流量计的检定大多采用离线周期送检，在实验室利用标准装置进行检定校准，这种方法需要把连续工作的流量计拆卸掉而用直管段替代，这样不仅造成流量计量不准确，给企业带来损失，且容易引起贸易纠纷。因此设计一套对气体流量计进行现场检定的标准装置解决上述问题，具有重大的现实意义。

1、时差法超声波流量计：
  测量原理超声波流量计主要由超声换能器、信号处理单元以及显示部分组成。超声波流量计按其工作原理主要可分为时差式、相差式、频差式、多普勒超声波流量计等。时差法测量超声波原理［1］是通过发射超声波换能器以与气体流动方向成锐角发射超声波信号，由接收超声波换能器接收超声波信号，通过测量超声波在管道气体中的顺流和逆流的传播时间差计算气体的流速，进一步推导出气体的流量。
  超声波流量计尤其适用于大管径或者不易接触等特殊场合，是非接触测量的一种。时差法超声波流量计测量原理如图 1 所示。超声波在气体中的传播速度由气体传播速度 v 在超声波传播方向的分量 v 和静态下超声波传播速度 c 合成，超声波顺流和逆流的传播速度 td和 tu分别为：
传播速度 td和 tu分别为
传播速度 td和 tu分别为
图 1 时差法测量原理
式中: td和 tu分别为超声波顺流和逆流的传播时间; α 为超声波传播方向与水平方向夹角; L 为传播距离?？衫檬? 1) 和式( 2) 得出流体流速的表达式:v =L2cosα(1td－1tu) ( 3)
  式中 v 是流体的速度。测量距离 L、超声波传播方向与水平夹角为已知量，td和 tu可通过现场实验测量得到，在排出外界温度环境影响的条件下，可求出气体传播速度，从而得到流量信息。

2、系统构成及检定过程：
2.1、系统构成气体流量计：
  在线检定系统主要包括被检流量计管段、标准管段、超声波换能器、信息采集?？?、主控系统等部分。气体流量计在线检定系统采用双声道超声换能器夹在特殊材质的管道上，将被检流量计和标准流量计串联起来，通过采集被检流量计和标准流量计的流量信息，存储相对应的瞬时流量和累积流量，好终通过对比，计算出二者误差，整套实验装置的示意图如图 2 所示。
图 2 燃气流量计在线检定系统示意图

图 2 燃气流量计在线检定系统示意图
  在上位机中控制标准表的检定时间，将被检流量计某一时间的流量信号保存在下位机中，当一个流量点检定完成后，由上位机根据检定的起止时间通过 Internet 网络查询被检表的流量，从而完成精确测量。由于外夹式流量计无法精确测量管道截面积以及插入式流量计必须使超声波接触介质，不能在线测量等缺点，该系统采用西门子改造的一种带换能器探头的标准管段，可以实现探头和换能器的分离。

2.2、检定过程：
使用该检定系统进行检定的操作步骤如下:
( 1) 管道直径测量。利用卷尺和三角板在标准管道上的同一截面上分别进行测量 n 次，D 满足公式:
D =( D1+ D2+ D3+ …… + Di)n( 4)根据式( 4) 计算出管道的外径。
( 2) 管道材质及表面处理。根据标准流量计上可供选择的材质类型，选择与所用管道相同或者相近的材质类型，并利用砂布对标准管道表面进行打磨处理。然后在测量好的管道上粘贴 CC129 膜，以便使换能器更顺利地采集超声波信号。
( 3) 安装超声换能器。双通道超声波流量计共 4 个换能器，安装的时候需注意两对换能器的对应，一对全为 A，另外一对为 B。另外与流量计和换能器相连的 4 条电缆线，同样将一对换能器与一个通道相连的电缆对应，并根据管道中气体的流动方向分清电缆上所对应的 UP 和 DOWN，在换能器与管道接触表面均匀涂上耦合剂，安装时以全面耦合为非常好的［2］，避免换能器与管道之间缝隙的存在，影响超声波信号的测量。
( 4) 换能器信号检测。在超声波流量计上输入管道参数和管道中的气体参数建立检定现场，流量计将根据输入的参数，给定换能器的安装距离?；荒芷靼沧巴曛?，流量计将进行自检过程，若安装正确，流量计屏幕上会出现一个对话框显示当时的信号强度和管道内的声速。
( 5) 计算误差。利用检定系统，分别读取一定时间内标准表和被检表的瞬时流量和累计流量分别计算出被检流量计的误差和重复性［3］。公式如下
计算公式

槡2× 100% ( 7)式中: ( qs)ij为第 j 次检定的标准值; Ei为被检流量计第 i 个流量点的示值误差; ( Er)i为被检流量计第 i 个流量点的重复性。
( 6) 生成报告。由 USB 数据采集卡采集被检表和标准表的流量，并通过 USB 接口显示在上位机中，检定结束后，将数据和被检表信息保存到 Excel 表格中，生成检定报告，出具相应的检定/校准证书。

3、硬件设计：
  气体流量计在线检定系统硬件部分由信号调理?？?、信号处理?？橐约叭嘶涌诘缏?3 部分组成。信号调理?？? 完成超声波信号的放大、滤波以及 A/D 转换，以供单片机进行处理;信号处理?？? 完成数据的采集、计算及与计算机通讯功能; 人机接口电路: 完成处理后输出信号的采集和相应软件系统的显示功能。硬件结构框图如图 3 所示。
图 3 硬件结构框图
图 3 硬件结构框图
  系统工作过程为: 由被检流量计和标准流量计输出的两路模拟信号量，需经过信号调理电路对其进行调理，然后经过信号处理?？槎圆杉降氖萁邢喙卮?，好后通过人机接口电路显示并保存检测结果，可通过视频、ＲS － 232 接口或 ＲS －485 接口 3 种方式与计算机通讯。

3.1、信号调理?？椋?br />   由标准流量计和被检流量计采集的信号是 4 ～ 20 m A 的电流信号［4］，由于输出的模拟信号且比较微弱，因此需进行放大、滤波和调幅等处理。由于此装置用来完成计量检定，因此对精确度要求较高，选择 AD8250 作为放大芯片，该程控放大器具有低的输出噪声及低失真性等特点，可保证输出信号的稳定性。A / D 转换芯片选择 AD7321，它是一个双通道、12 位带符号位的逐次逼近型 A/D 转换器，该转换器有高速串行接口，好高吞吐量可达 500 KSPS，具有精度高，转换速度快且功耗低等优点。
3.2、信号处理?？椋?br />   信号处理?？椴捎每杀喑搪呒骷?EMP1270T144C5N 芯片，对转换得到的数字信号信号进行处理，它可提供丰富的逻辑资源，且功耗低，IO 接口多，可扩展性强。在 EPM1270 与单片机的接口电路通过 2 片 74ALVC164245，将电压转换成单片机可用的 + 5 V电压，来实现电平转换。利用 JTAG 下载接口将从流量计上采集的信息下载到存储芯片 ＲAM 上，下位机能够通过视频、ＲS －232 接口或 ＲS －485 接口任意一种方式与计算机进行通信。
3.3、人机接口电路人机接口：
  电路的设计目标是为了给工作人员提供友好的工作平台，协助完成计量检定工作，使气体流量计的检定流程可以集检测、数据处理、生成检定结果报告和检定记录于一体，并好终打印检定结果证书。该系统通过 USB 采集芯片来实现信号的采集，通过软件编程完成可视化操作界面，实现人与计算机以及外部更多辅助设备的信息交换。

4、软件：
  设计由于该在线气体流量计检定系统主要应用于气体流量计的现场计量检定，因此需要设计简单易操作的工作界面以供检定工作人员操作。该设计采用面相对象的思想，用户界面采用VB 程序设计开发，检定数据采用 Microsoft Access 数据库进行管理。整个软件设计过程简单，且易于更新。软件部分编程包括数据传输部分和检定部分。数据传输部分通过使用动态链接库和初始化函数来实现 A/D 数据采集。检定部分是软件设计的核心，检定结果与客户的利益密切相关，是保证计量准确性的关键环节。检定流程图如图 4 所示。
图 4 软件主程序流程图
图 4 软件主程序流程图

  检定开始时，将换能器等信息采集装置安装到待测管道上，待传感器等测量电路连接完备，进入到主程序界面，每隔一段时间采集流量信息，同时在检定界面上显示，并且将流量数据保存数据库中。将标准表与被检表的瞬时流量和累积流量分别对比，得到误差和不确定度。软件工作流程为: 系统上电后，首先对采集?？榻谐跏蓟?，初始化主要完成设定采集信号时间间隔、检定点数等准备工作，设置好 A/D 转换频率之后，启动 A/D 转换，当转换结束后，读取采集到的数据，存储到缓存区域，然后对采集到的相应流量点的数据，通过相关公式进行计算，转换为被检仪表的瞬时流量和累计流量，并将有关数据结果存储起来。
  可视化操作界面可根据流量计的种类选择不同的检定方式，如 A/D 转换、脉冲方式和视频采集方式等，检定完成后将结果通过数据库存储起来，以便查询历史记录。

5、系统的应用及影响测量精确度因素分析:
5.1、系统的应用气体：
  流量计检定系统与传统检定装置相比，体积小，易于携带，适用于现场检测。实验前需对现场检定所采用的外夹式1010GCN 超声波流量计进行实验室检定，精度符合相关计量检定标准方可作为现场标准检定计量器具。将外夹式标准超声波流量计的传感器安装于被检管段式流量计前端管道上，排除温度、压力、气体参数等因素的影响，表 1 为用 1010GCN 超声波流量计作为现场标准流量计进行在线测量的数据。实验通过 4 次测量，得到被检流量计和标准超声波流量计 3 min 内的累积流量。设被检表流量记为 Q1，在线检定系统所用标准超声波流量计流量为 Q，相对误差用 δ 来表示，计算公式为:
表 1 现场检定试验结果
表 1 现场检定试验结果

  现场试验数据证明，受现场温度等环境因素影响，被检流量计虽然与实验室检定结果有一定的差异，但其工作稳定，误差均在检定规程允许的范围之内。所用标准超声波流量计虽有波动，但完全可以作为现场检定流量计的计量器具。

5.2、影响测量精确度因素：
  分析通过对现场测量结果分析，结合传统实验室检定经验，影响测量精度的因素归纳为以下几点:
( 1) 现场检定环境跟实验室相比，现场检定时信号传播衰减幅度大、检波不稳定、信号干扰严重及流场影响等问题，需要采取一定的措施尽量减少外界环境因素带来的影响。
( 2) 对于小型供气企业来说，管道本身的压力一般为0． 6 ～1． 0 MPa． 实验室标准装置所用的金属管道对声速的衰减幅度较大，导致超声波换能器夹在管道上不能测到流体信号，影响检定结果。因此，通过实验，找出一种能替代金属管道作为安装换能器的管道，成为该系统需要解决的另外一个问题。
( 3) 换能器安装方式的影响。针对现场检定低压环境下，不同管道材质对换能器安装方式有一定影响。流量积算仪的推荐安装方式为 V 型，对于流态分布紊乱使应用条件变差的流体［6］，反射式安装可提供补偿。直射式( Z) 型安装可以获得较强的换能器信号，由于系统采用塑料管道，管道材料对声速的衰减较大，采用 Z 型安装效果更好。
( 4) 换能器安装距离的影响。探头的安装距离必须保证准确。在检定中为了保证非常好的信号强度，需要根据标准流量计上提供的换能器非常好的距离，平行移动 2 个探头，在保证探头的安装距离符合要求的前提下寻找非常好的安装点，并通过实际测量确保探头的安装距离准确无误。

6、结束语：
  随着国内燃气事业的飞速发展，在线校准检定是未来发展的重要趋势，特别是运用方便小巧的检定装置。通过试验表明，多次试验之后总结出来的提高检定装置准确性的方法，能够使得在线检定准确度达到预期的技术指标，并且使其应用越来越广泛化。