基于質量流量計的容量比較法自動測量裝置的研制

楊彪 趙晏 王若丞 田彪 李銳明

（云南電網有限責任公司昆明供電局）

0 引言

因為氣體流量計是用來測試密閉管道中氣體物質的流速和總流量，而被測物質多為高溫、高壓、易燃易爆氣體液體。對被測流量計的整體表面進行氣密性試驗，確保被測蒸汽流量計在整個巡檢、施壓過程中不發(fā)生泄漏，杜絕安全隱患導致計量檢定不準確和安全生產事故發(fā)生具有非常重要的現(xiàn)實意義。資料顯示，流量計的氣密性和交流耐壓試驗是確定流量計能否投放市場和應用的先決條件?，F(xiàn)階段，我國部分新修訂的蒸汽流量計計量檢定技術規(guī)范已經出臺了這方面的規(guī)定。我國現(xiàn)階段氣密特性測試方式的關鍵在于制造企業(yè)在出廠前以水作為測試材料進行實驗，因為水會在組裝后損壞許多流量計，尤其是在通電的情況下。國內尚無以氣體為試驗物質的大口徑流量計安全測壓機械設備，更無一體化蒸汽流量計精密測壓機械設備。本文研發(fā)的流量計耐壓安全及壓力檢測自動檢測裝置屬于領先技術，在功能和性能指標上也優(yōu)于國外同類機械設備。還為處理總流量貿易糾紛和訴訟計量驗證提供技術保障。

1 檢測裝置的設計指標及基本結構

根據(jù)JJG633—2005《蒸汽容積式蒸汽流量計》、JJG643—2003《標準儀表法總流量規(guī)范裝置》、JJG1037—2008《渦輪流量計》、JJG1029—2007 《渦街流量計》和JJG875—2005 《數(shù)字壓力計檢定規(guī)程》，進行撬裝式結構流量計的壓力安全試驗和壓力檢測自動檢測的科研、開發(fā)和設計。

1.1 技術參數(shù)

根據(jù)技術標準的規(guī)定，該裝置的溫濕度記錄主要參數(shù)規(guī)定如下表所示。

表 裝置溫濕度參數(shù)要求

1.2 外型結構設計

現(xiàn)階段常用的LBS型出水量規(guī)格裝置可用于φ65、φ80、φ100、φ125、φ150、φ200等不同規(guī)格的流量計的檢驗，外觀結構的設計考慮到了目前實驗室的室內空間。同時，還需要快速輕松地完成不同規(guī)格儀表板的管道轉換，使一臺實驗裝置實現(xiàn)對不同規(guī)格儀表板的檢測。為保證管線與自然環(huán)境實驗裝置的詳細連接，箱體設計成前后左右兩部分，前后左右與外殼相連，使管道完全置于實驗裝置中。如圖1所示，這是一個新的設計理念，內外殼原材料采用SUS304不銹鋼板，家具板材厚度不小于1.2mm。屋面保溫材料為硬質阻燃聚氨酯泡沫，其壁厚不小于100mm，以達到更好的保溫效果。

圖1 外形結構示意圖

1.3 不同口徑管路的連接設計

外殼的連接管路設計為法蘭結構，同時，法蘭分為兩部分。法蘭可以固定在實驗裝置上，在結合實驗器件兩部分的過程中會出現(xiàn)埋孔，通孔的直徑可以與安裝在被測儀表板上的管道相匹配，根據(jù)不同規(guī)格法蘭的拆卸更換，完成不同規(guī)格管路的轉換，實現(xiàn)不同規(guī)格儀表盤的在線監(jiān)控，如圖2所示。

圖2 法蘭結構實物圖

1.4 控制系統(tǒng)的設計

控制系統(tǒng)軟件包括流量計運行控制、模擬環(huán)境控制、流量計檢定、流量計檢測、文檔管理等部分組成，整體軟件運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行流程圖

1.4.1 流量計運行控制

可以設置運行流量計的數(shù)量、流量、時間等，可以實時采集各個流量計的運行數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的運行方案，讓流量計通氣運行，并記錄各個流量計的標況總量、瞬時流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，進行測試流量計性能和輸差計算。運行模式有短期運行和長期運行兩種。

1.4.2 模擬環(huán)境控制

可以設置實驗艙的溫度、濕度、運行時間以及不同組合的循環(huán)周期等，可以實時采集實驗艙的各個位置的溫度和濕度。根據(jù)不同的氣候特點，制定不同環(huán)境的方案，通過控制溫度和濕度，驗證流量計在不同環(huán)境條件下的性能。

1.4.3 檢定控制

依據(jù)氣體流量計的檢定規(guī)程，通過控制檢定系統(tǒng)，對被檢表進行檢定，測試流量計在長期運行后和不同溫度下示值誤差的變化情況。

1.4.4 流量計檢測

可以檢測流量計的電流、本地通信功能、遠程通信功能、高低頻輸出的準確性、流量計量準確性、讀取溫度／壓力值的準確性等。通過不間斷地檢測流量計的性能參數(shù)，掌握流量計運行在不同時間點和溫度點下的運行狀態(tài)。

1.4.5 文檔管理

可以輸出運行報告、檢定報告、流量計檢測數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)查詢。

1.5 冷熱循環(huán)系統(tǒng)的設計

制冷機組采用優(yōu)質知名品牌，使用節(jié)能制冷劑，蒸發(fā)冷卻方式。制冷壓力監(jiān)測配備壓力傳感器，檢查制冷壓縮機的工作狀態(tài)，超低溫連接管路采用優(yōu)質無氧銅管。加熱方式采用304不銹鋼板鎧裝電纜，優(yōu)質鎳鉻合金電熱絲電熱器，PID調節(jié)執(zhí)行元件為中間繼電器。

1.6 噴霧系統(tǒng)的設計

噴霧系統(tǒng)采用電加熱蒸汽加濕，根據(jù)位置控制調節(jié)真空電磁閥，控制加濕，交流電壓調節(jié)器的主要作用是調節(jié)噴霧的抗壓強度。此外，水位線控制采用液位計機械手進行。

2 設計說明

2.1 主要技術指標

2.1.1 耐壓試驗

實驗規(guī)格：DNl5～300；最大實驗壓力值：7MPa；微調閥門尺寸調整：50Pa。

2.1.2 壓力測試

指定檢測壓力測量范圍：0～0.4MPa、0～1.6MPa、0～6.0MPa；規(guī)定檢測壓力測量范圍內最大允許偏差6：±0.05%。

2.2 基本原理

流量計壓力安全及壓力檢測自動檢測裝置有兩個關鍵功能：一是可以對各種壓力在4MPa以內的流量計進行大型工作時以氣體為物質的交流耐壓測試；二是，可以在流量計保持運行狀態(tài)的情況下，對集成流量計壓力部分的重要計量檢定指標值進行在線計量檢定/校準。該裝置可根據(jù)高精度壓力控制器快速、準確地設定壓力。機器設備分為硬件配置部分、手機軟件部分、機械設備部分。

機械設備的一些關鍵是支撐點、夾具、密封、手動轉換測量范圍、安全通道等功能；硬件配置的一些關鍵是整體機械設備的配電、高精度調節(jié)儀表盤、高精度壓力儀表盤、家電控制、自動采集等功能；手機軟件的部分關鍵是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息測量、轉換成表格、操作調整等。首先根據(jù)氮氣瓶給予足夠的氣動閥進行測量和驗證，并進行第一次降壓根據(jù)壓力調節(jié)閥解決，然后通過過濾裝置進入清潔氣體，進入精密測量過程。量程切換閘閥根據(jù)需要的量程選擇傳感器，并用壓力表監(jiān)測各部位的壓力。系統(tǒng)軟件工作時，打開真空電磁閥、普通反饋壓力表閘閥、普通標準表閘閥等，根據(jù)手機軟件調整到預定壓力后，根據(jù)電腦斷開所有電動閘閥。此時，被檢儀表和標準數(shù)據(jù)壓力表串聯(lián)在同一管道中，管道兩側閘閥關閉，被檢儀表和標準數(shù)據(jù)壓力表上的壓力為相同的。規(guī)格數(shù)據(jù)壓力表的數(shù)據(jù)信號根據(jù)網絡系統(tǒng)輸出，采集到工業(yè)自動化電子計算機，即時指示。根據(jù)比較分析法，通過計量驗證被測表壓所指示的較大示值誤差。蒸汽流量計的檢查分為兩個過程：一是進行交流耐壓試驗。根據(jù)被測蒸汽流量計的最大壓力選擇標準數(shù)據(jù)壓力表，按相應技術規(guī)范設定壓力和等待時間，操作設備，進行實驗。二是交流耐壓試驗完成后，進行數(shù)顯壓力表頭壓力指示誤差的檢查。根據(jù)相應的計量檢定技術規(guī)范設定各項主要參數(shù)，逐步開展計量檢定特性的計量檢定。

2.3 裝置基本配置說明

標準數(shù)據(jù)壓力表：3個，測量范圍0～0.4MPa、0～1.6MPa、0～6.0MPa，精度等級0.05。液壓油泵及液壓機夾緊裝置：采用中國企業(yè)生產制造的專用液壓油泵。壓縮箱：采用304#不銹鋼板制作。高壓管道：采用不銹鋼無縫管，可承受7.0MPa壓力。夾緊方式：采用液壓機自動夾緊方式。閘閥自動控制系統(tǒng)：壓力調節(jié)閥降低血壓，量程切換閘閥根據(jù)需要的量程選擇傳感器，真空電磁閥主要實現(xiàn)切向氣路源，確保測量段準確，壓力穩(wěn)定。氣動閥：高壓氮氣瓶。變壓器：壓力控制器。數(shù)據(jù)采集裝置：PLC采集。

數(shù)據(jù)信號采集部分包括規(guī)格采集部分和其他溫度壓力數(shù)據(jù)信號采集部分。標準數(shù)據(jù)信號采集主要是將采集后的壓力智能變送器標準化，傳感器按照RS485通訊協(xié)議傳輸?shù)接嬎闵上到y(tǒng)軟件，按照之前的系統(tǒng)軟件轉換成RS232協(xié)議。將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)交給電子計算機，計算機根據(jù)手機專用軟件對協(xié)議內容進行加載，并將其轉換成合適的可加載標準值。溫度和壓力數(shù)據(jù)信號采集的另一個關鍵部分是成套設備中的多通道壓力和溫度傳感器，傳感器為兩線制脈沖信號方式，其中該壓力傳感器為控制器的服務項目，用于系統(tǒng)中。上位計量檢定設置中選擇差值的檢測和測量范圍，電子計算機根據(jù)手機軟件上的選擇通過RS232和RS485協(xié)議的轉換傳輸?shù)絇LC，并選擇相應的壓力通過PLC操作系統(tǒng)上的傳感器，使通訊穩(wěn)壓器可以有相應的壓力反饋數(shù)據(jù)信號，交流穩(wěn)壓器根據(jù)壓力數(shù)據(jù)信號調節(jié)開度（壓力），經過硬件配置轉換后進行輸出，根據(jù)PLC的擴展數(shù)據(jù)采集模塊重新生成壓力和溫度數(shù)據(jù)信號。根據(jù)PLC向電子計算機的傳輸，電子計算機上會有一個參考壓力和溫度，該系統(tǒng)將PLC和其他連接的電子計算機與必須根據(jù)定義它的通信協(xié)議和各種儀表板進行加載和操作的儀表板連接起來。設備連接成功后，根據(jù)程序流程中的設置，運行一個部分，使設備運行達到測試要求，然后進行測試，根據(jù)數(shù)據(jù)信息加載數(shù)據(jù)收集部分。根據(jù)手機軟件內部進行的信息解決方案，進行數(shù)據(jù)信息測量驗證。

3 裝置的主要特點

本裝置全部采用不銹鋼板制作，表面有維修箱，安全門旁有維修機械設備。壓縮試驗只能在防護門關閉后進行，實際操作高效，節(jié)約成本。進氣管路上裝有閥門，當壓力超過極限時自動釋放壓力，保證實際操作者的生命安全。所有裝置應能保證在所有正常工作條件下10rain內減壓不超過50Pa。規(guī)定試驗壓力測量范圍內的較大允許偏差6：±0.075%。儀表夾持方式：水平安裝（與被測儀表的安裝使用方法一致）。最大實驗壓力值：7.0MPa。

4 技術成熟程度

在開發(fā)新項目之前，對各國燃氣蒸汽流量計的耐壓標準裝置、教育部科技查新工作平臺G06做了充分的調研（科技查新報告編號：200936000G061190）。G06被確定為一體化氣體蒸汽流量計專業(yè)設計的耐壓標準裝置。該設備是國內第一家倉庫新項目樣品裝置產品研發(fā)完成后，使用該裝置進行了為期6個月的功能認證模擬實驗，并邀請了總氣體流量計領域的權威專家進行觀摩教學，多項測試數(shù)據(jù)證實了新項目產品，技術水平完善，實現(xiàn)了原設計方案。

5 結束語

綜上所述，結合現(xiàn)階段的檢測技術、檢定技術、計算機集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，該設備可實現(xiàn)對流量計運行狀態(tài)下的全程監(jiān)控，模擬各種不斷變化的氣候，檢定流量計在不同氣候條件下的流量示值誤差，預測流量計在不同條件下的潛在故障。本設備用于研發(fā)測試，可以提高新產品在不同環(huán)境下使用的穩(wěn)定性、可靠性；可以由原來用戶實際使用的試掛模式，改為模擬現(xiàn)場氣候在實驗室中進行試掛，從而縮短試掛測試的時間和產品上市時間。氣體能量測量的具體方式是使用氣體能量測量儀器，如果不能對燃氣能源計量器具的性能指標（如準確度等）做出詳細的評論，導致貿易計量校驗返回錯誤，將導致大宗商品外貿不公平交易原材料。本次新項目產品主要用于一體式流量計壓力部分的計量檢測工作，日益高科技的發(fā)展趨勢，選用高性能測量儀器、自動控制技術系統(tǒng)和電子信息技術等，提高了高新技術的應用水平，促進了科學技術的發(fā)展。