大口徑流體自動化校準(zhǔn)測試系統(tǒng)研究

丁逸倫,丁 斌,趙慶嶸,陸 春,張 凱

(1.南通市計(jì)量檢定測試所,江蘇 南通 226000；2.杭州誠億科技有限公司,浙江 杭州 310000)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲無損流量檢測利用超聲波在順流和逆流中不同的傳播速度來測量相對應(yīng)的流量,其常見的是以時差法、頻差法和速差法為原理。在實(shí)際檢測中,除了本身測量的原理,設(shè)備的精度和安裝又很大程度決定了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,主要是本身就存在很多干擾性的因素,其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)為換能器的合理安裝位置,而安裝位置又由很多因素所決定,包括測試方案的選擇(V型、Z型)、管道口徑的大小、管道軸線的確定等,這些參數(shù)的確定是超聲流體測量特別是大口徑管道流體測量的必要條件。在目前測量的手段中,雖然有一些輔助的設(shè)備和簡易工具,在檢測過程中還是很大程度依賴檢測人員的經(jīng)驗(yàn)以及檢測設(shè)備的性能要求,但是即使操作人員經(jīng)驗(yàn)豐富,檢測設(shè)備性能優(yōu)異,也無法解決因?yàn)閷?shí)際操作所存在的原理性問題導(dǎo)致的測量誤差以及測量技術(shù)性問題[1-5]。因此,為解決目前超聲大口徑管道流體檢測的關(guān)鍵問題,保證超聲檢測的科學(xué)性,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套智能型大口徑流體自動檢測系統(tǒng)。

本項(xiàng)目結(jié)合基礎(chǔ)超聲檢測原理以及多種技術(shù),包括機(jī)械自動化、系統(tǒng)計(jì)算算法結(jié)構(gòu)、傳感器技術(shù)等,通過以上技術(shù)分別自研管道口徑自動測量系統(tǒng)、圓周運(yùn)動自動化運(yùn)動單元、X軸運(yùn)動定位單元、系統(tǒng)可視化軟件系統(tǒng)等,所有系統(tǒng)部分都自建通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動通信,進(jìn)行數(shù)字化數(shù)據(jù)通信傳送(見圖1)。通過通信總線實(shí)現(xiàn)所有部件獨(dú)立而且系統(tǒng)化運(yùn)作,可以進(jìn)行運(yùn)動方案的編制,進(jìn)行自動計(jì)算并定位制定管道位置,通過顯示軟件可以展示立體運(yùn)動模型,通過軟件可以模擬運(yùn)動路線,設(shè)計(jì)最優(yōu)化測試方案,經(jīng)軟件控制自動執(zhí)行目標(biāo),數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理,最終全程自動計(jì)算測試結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

整體系統(tǒng)具備完善的機(jī)械結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)超聲換能器的準(zhǔn)確定位運(yùn)動。系統(tǒng)包括多個自動控制運(yùn)動單元以及測量單元,所有單元可實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng),通過終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局域超控。在設(shè)備的運(yùn)動可測量過程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一體化,所有部分通過校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)同步,在系統(tǒng)以及控制單元系統(tǒng)的結(jié)合下,按照終端的方案設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動單元即換能器的定位,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位放置,超聲換能器可通過運(yùn)動單元實(shí)現(xiàn)換能器的定位運(yùn)輸,如圖2所示。外徑測量系統(tǒng)由兩套傳感器系統(tǒng)組成,在測量管道外徑的同時,實(shí)現(xiàn)管道平行軸線的定位,以此可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而且科學(xué)的測量基礎(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

2 外徑測量系統(tǒng)

圖3 外徑測量原理

在外徑測量中以微機(jī)核心處理器作為數(shù)字化處理核心器件,同時采用自研電磁感應(yīng)傳感器測量位移,直接反映了圓周外徑所對應(yīng)的L,通過三角函數(shù)計(jì)算,可以直觀得出對應(yīng)的R。經(jīng)過測試,此設(shè)計(jì)方案最高誤差可以達(dá)到0.1 mm,完全滿足方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。外徑測量系統(tǒng)除了傳感器的接入,還包括無線通信模塊、顯示模塊、測量校準(zhǔn)復(fù)位模塊。以單片機(jī)LPC824為核心處理器,通過對相關(guān)集成電路進(jìn)行通信控制,實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)行,其中整套硬件電路還包括存儲器和電源處理部分,以及USB有線通信部分,還可對單個單元部分進(jìn)行本地化設(shè)置,包括地址編碼以及溯源測試。通過USB有線本地設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)超級管理員本地設(shè)置權(quán)限,實(shí)現(xiàn)對測量單元的最高設(shè)置要求。設(shè)置下發(fā)的地址編碼通過EEROM的存儲介質(zhì)存儲于指定扇區(qū),每次系統(tǒng)上線將通過編制地址進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,本身具備無線通信的單元,可以通過無線抄送進(jìn)行本地組網(wǎng)。此功能的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)單元進(jìn)行系統(tǒng)化超控,超級終端進(jìn)行組網(wǎng)抄送時將下發(fā)廣播式命令,本地單元通過特定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳,終端系統(tǒng)通過地址識別相應(yīng)的外徑測量單元而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置,通過握手信息之后,單元測量模塊將通過上傳數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的立體化展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化要求。系統(tǒng)可以通過手動或者自動(系統(tǒng)通信設(shè)置)完成對測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和復(fù)位,以便于日常測量的校準(zhǔn)以及系統(tǒng)的溯源,同時此系統(tǒng)配備雙外徑測量,保證了管道定位的準(zhǔn)確平行軸線,確保了超聲運(yùn)動模塊在定位中的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3 運(yùn)動單元

系統(tǒng)具備全自動運(yùn)動單元,可通過生成坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對換能器的自動定位運(yùn)動輸送。通過系統(tǒng)設(shè)置計(jì)算系統(tǒng)定位坐標(biāo),將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)包括外徑測量結(jié)果以及原點(diǎn)定位零點(diǎn),通過主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位計(jì)算。運(yùn)動單元通過設(shè)計(jì)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動歸零運(yùn)動,單元通過強(qiáng)磁性運(yùn)動驅(qū)動器進(jìn)行鋼體表面吸附,通過驅(qū)動器進(jìn)行運(yùn)動驅(qū)動。管道的吸附運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)大于270°的運(yùn)動圓周角度,同時X軸的定位通過軸向的相對位移傳感器進(jìn)行,通過雙軸向驅(qū)動,最終形成了立體型圓周管道運(yùn)動。圓周脈沖式光柵傳感器以及X軸定位傳感器可實(shí)現(xiàn)最小0.1 mm的定位精度,理論上實(shí)現(xiàn)0.1°圓周運(yùn)動定位角度,可以很大程度上避免人為測量定位不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的人為誤差,解決了因人為操作所導(dǎo)致的超聲測量偏差。

此運(yùn)動部分包括兩套系統(tǒng),分別為兩個超聲單元的載體部分,以實(shí)現(xiàn)外夾式超聲測量的形式要求。而運(yùn)動則包括X軸和圓周運(yùn)動,以實(shí)現(xiàn)超聲探頭對于相對圓心角度位置以及相對直線距離的定位計(jì)算。對于圓周運(yùn)動,通過脈沖式光柵傳感器進(jìn)行步距角實(shí)現(xiàn),其換算的基礎(chǔ)主要基于第二部分外徑測量單元的測量結(jié)果,通過外徑測量部分對于外徑的實(shí)際測算進(jìn)而結(jié)合光柵圓周步距角的換算,最終得出最小光柵步距所代表的最小圓周角度。通過光柵圓周脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對單圓周運(yùn)動所對應(yīng)的相應(yīng)角度關(guān)系,通過立體換算、多平面的結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)相對圓心角度多對應(yīng)的相對角度。由于被測管道的管徑不一,所以圓周運(yùn)動中必須克服隨機(jī)管道直徑所能適應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此,在設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中,需存在彈性的伸縮裝置。通過彈性的伸縮裝置實(shí)現(xiàn)不同外徑的外夾式調(diào)整,但是由于1套系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有4套運(yùn)動機(jī)構(gòu),因此在彈性裝置中分別加入準(zhǔn)確的角度外夾裝置,以同步化4套機(jī)構(gòu)的運(yùn)動步距,最終實(shí)現(xiàn)4套系統(tǒng)的同步性,以此保證在圓周相對運(yùn)動中的相對角度誤差。

除圓周相對運(yùn)動外,同時存在軸向X軸運(yùn)動。X軸的運(yùn)動主要實(shí)現(xiàn)對于相對位置的X軸距離定位,即對于探頭相對直線位置的定位計(jì)算,此部分主要通過精密絲桿的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)單元的運(yùn)動。精密絲桿的圓周轉(zhuǎn)動即為相對換算運(yùn)動單元的運(yùn)動單元距離,此方向在運(yùn)動之前需設(shè)定原點(diǎn)位置,同時必須保證兩個單元的原點(diǎn)為絕對一致。因此,在設(shè)計(jì)加工絲桿的相對位移尺中必須設(shè)計(jì)加入一套相對電子尺,此部分采用容柵尺作為測量載體。在操作使用前,通過對于容柵尺動子的相對位移定位,實(shí)現(xiàn)對于原點(diǎn)的確定,通過單位容柵位移定位裝置實(shí)現(xiàn)相對位移的運(yùn)動定位。在運(yùn)動過程中通過原點(diǎn)定位結(jié)合電機(jī)步距角的相對測算,實(shí)現(xiàn)X軸相對定位,此單元也如其他所有測量單元一樣,具備無線組網(wǎng)硬件條件,通過本身地址的編制以及運(yùn)動方案的下發(fā)設(shè)置,終端可以通過系統(tǒng)的協(xié)議命令,實(shí)現(xiàn)對其相對位移的超控,在終端可視化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相對位移的可視化效果,同時可以通過終端編輯系統(tǒng)手動或者自動的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)此單元的自動化定位行走。

運(yùn)動單元控制電路,如圖4所示。除了基本的機(jī)械運(yùn)動結(jié)構(gòu),主要由驅(qū)動部分、定位傳感器、通信結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制部分等組成,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信,系統(tǒng)控制中同時結(jié)合PID控制算法,在運(yùn)動穩(wěn)定性以及精度上得以最大限度地保證,硬件控制電路主要以STM32F030為核心MCU,通過PWM控制驅(qū)動器,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動,相對的運(yùn)動距離通過相應(yīng)的位移傳感器進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式控制定位。

圖4 運(yùn)動單元控制電路

4 結(jié)語

此系統(tǒng)通過一系列的軟硬件設(shè)計(jì)以及機(jī)械化運(yùn)動結(jié)構(gòu),結(jié)合系統(tǒng)軟件的配套和數(shù)字化檢測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對超聲波流量計(jì)換能器的定位傳送,改變了以往人為手工測算和安裝的現(xiàn)狀,從理論上實(shí)現(xiàn)了以往依靠經(jīng)驗(yàn)操控檢測設(shè)備過渡到數(shù)字化檢測的進(jìn)步,很大程度上提升了以往依靠人為經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備的優(yōu)越性才能完成的測量精度。通過系統(tǒng)終端對傳感器以及運(yùn)動控制系統(tǒng)的組網(wǎng)、可視化系統(tǒng)以及數(shù)字化的展示,實(shí)現(xiàn)了大口徑流體測量的科學(xué)性、合理性,對測試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備以及自動化測試流程對于測量數(shù)據(jù)來說更加科學(xué),同時采用此設(shè)備可以對相同條件下的檢測設(shè)備進(jìn)行對比,可以很大程度上降低設(shè)備采購成本,更加科學(xué)地實(shí)現(xiàn)了對使用者成本的控制,對于測量設(shè)備而言,減少了人為計(jì)算誤差和操作誤差。