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流量计与气体流量标准装置同轴连接的研究

时间:2018/06/10来源:未知

气体流量仪表作为贸易计量的重要计量器具其使用已经越来越广泛, 与此同时该流量仪表的量值传递工作具有愈加重要的意义。该文研究气体流量仪表与临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置同轴连接方法, 搭建了试验装置, 经试验分析可实现该类仪表与标准装置误差在±1 mm内的同轴连接, 可以更好地完成气体流量仪表的量值传递工作。

近年来, 伴随着经济的发展, 我国能源的需求愈加强烈, 随之而来的能源危机的挑战使能源计量的准确性问题日益显著, 气体流量计广泛应用于天然气、蒸汽等领域的贸易结算中, 均属于我国计量法规定的强制检定范围, 因此气体流量计也越来越受到计量部门的重视, 如何实现该类仪表更准确的量值传递成为计量部门面对的新问题。

目前, 国内的气体流量标定装置主要有钟罩式气体流量标准装置、PVTt式气体流量标准装置、以高精度容积式流量计为标准表法气体流量标准装置和临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置等。其中, 钟罩式气体流量标准装置、PVTt式气体流量标准装置结构较为复杂, 且价格昂贵;而高精度容积式流量计需要进口、价格昂贵、且精度易发生变化, 不易日后维护[1]。临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置是以音速喷嘴作为标准表, 其结构简单可靠, 无可动部件, 能够准确地调节和控制流量, 是目前我国省市级计量单位普遍采用的气体流量标准装置。

上世纪60年代末, 英国国家工程试验室、法国煤气公司、英国煤气公司工程研究所、美国国家标准局、Colorado工程研究所、日本国家计量研究所就将临界流文丘里喷嘴用于高压大流量测试。从上世纪80年代开始, 国内许多科研院所开展了针对喷嘴装置相关研究, 事实证明临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置是一种简单可靠、准确度高、扩展不确定度较小的装置, 现已被ISO采纳为国际标准ISO9300[2]。

在计量部门检定过程中, 目前尚无一种确定被检流量计与标准装置同轴连接的方法, 普遍依靠人眼观测以及经验实现流量计与标准装置的连接, 这一方面增加了检定人员的工作量以及工作难度, 另一面如若流量计不能准确同轴连接在管道上, 将会引起流经流量计内气体的泄露, 其次还会影响流量计内部气体旋涡的产生, 进而影响检测的准确度, 这无疑给检定工作带来了额外的不必要的误差。为了实现检定的高准确度, 更准确地完成国家能源计量工作的量值传递, 维护用户的经济利益, 需要研究被检流量计与临界流文丘里喷嘴法气体标准装置同轴连接的方法, 制定可行方案, 提高检定的准确度, 并提高检定过程的自动化程度和检定效率。

1 方法原理以及试验系统的搭建

本文研究被检流量计与临界流文丘里喷嘴法气体标准装置同轴连接的方法, 基于该方法的试验装置由视频采集模块、红外探测模块、视频显示模块和信息处理系统组成, 如图1所示。

图1 同轴度检测结构示意Fig.1 Diagram of the coaxial degree detecting structure

图1 同轴度检测结构示意Fig.1 Diagram of the coaxial degree detecting structure 

 

该系统中, 信息处理系统是一个嵌入式系统的最小系统, 主要由嵌入式处理器、电源子系统、SDRAM子系统、Flash子系统、复位系统以及串口和JTAG调试接口等部分组成。视频采集模块, 包括视频解码芯片和视频采集摄像头两部分, 摄像头负责视频信息的采集, 视频解码芯片把摄像头采集到的视频信号编码后送给信息处理系统处理。红外探测模块, 由红外光电三极管、单片机、可触摸液晶屏组成, 光电三极管将检测到的光电压值传送给单片机, 单片机将处理后的信息显示在触摸液晶屏上。视频显示模块包括视频编码芯片和LCD显示屏两部分, 视频采集模块采集到的视频信息, 经过信息处理系统处理后, 再通过视频编码芯片编码, 输出到LCD显示屏上。

1.1 视频采集模块

红外光源作为检测系统的光源部分, 其作用即可以实时传输管道内部图像, 提供给操作人员直观的管道内部视觉信息, 又可以在管道内部发出一束充满管道的红外光柱, 以便于接收端探测。红外电视技术是一种成熟的识别成像技术, 其将电视技术与主动红外夜视技术相结合, 用不可见红外辐射主动照明目标, 并用对此红外辐射波段敏感的高灵敏摄像机摄像的手段进行夜视。它综合了红外主动夜视不受环境照度限制, 能在完全黑暗的环境中摄像、成本低、图像相对清晰的特点, 以及电视方法能传输图像、能录像的特点。如图2所示, 本装置选用工业级红外摄像头作为红外光源, 将摄像头采集到的管道内部图像传输进可移动液晶显示屏, 方便检测人员实时观察管道内部流量计与管道同轴情况。

图2 视频采集单元Fig.2 Video acquisition unit

图2 视频采集单元Fig.2 Video acquisition unit

 

1.2 红外探测模块

红外探测技术, 是利用红外光实现检测各类参数的技术。红外光是一种波长介于微波与可见光之间的电磁波辐射, 肉眼无法觉察。要探测到这种辐射, 并测量其大小, 必须将它转换成可以探测得到的其他物理量。物体经红外辐射照射后所产生的反应, 只要其大小可以被测量, 均可用来检测红外辐射的强弱。红外探测器的主要原理是光电效应和红外热效应。这些效应基本以电信号形式输出, 或者以其它方式转换成电信号输出。红外光电三极管是一种典型的红外器件, 它是一种晶体管, 是在光电二极管技术的基础之上发展起来的光电器件, 本身具有放大功能[3]。它有三个电极。电极之间的电阻会随着光照大小的变化而变化。如图3所示, 本装置选用8个红外光电三极管作为光电探测元件, 安装在辅助标准法兰内侧, 探出法兰管道内壁1 mm, 辅助标准法兰可通过螺栓固定在被检流量计法兰上, 其可以灵敏地探测到红外光源发出的红外光线, 并将光强转换为电压信号由数据传输系统输出到液晶终端, 以供检测人员判断管道同轴情况, 若8个探测器检测电压相同则可认为流量计与装置在±1 mm误差范围内实现了同轴连接。

图3 红外探测模块Fig.3 Infrared detection module

图3 红外探测模块Fig.3 Infrared detection module   下载原图

 

1.3 数据传输及处理与图像的解析

根据红外成像的原理, 红外摄像机拍摄的图像和普通的彩色摄像机拍摄的图像相比有一些不同的特点, 比如:红外图像噪点比较多, 边缘不明显。为了实现后期准确的识别, 需要对图像进行预处理。通过图像的去噪技术, 会减少噪点对图像的影响;通过对比度增强技术, 可以把运动目标和背景的区分度变大, 提高实时检测时的准确率。图4为整个同轴度检测系统工作流程, 图5为试验装置液晶终端显示, 分别为视频终端和红外探测终端, 显示信息可直接反馈给检测人员以便于操作。

图4 同轴检测系统工作流程Fig.4 Flow chart of coaxial monitoring system principle

图4 同轴检测系统工作流程Fig.4 Flow chart of coaxial monitoring system principle

 

图5 同轴试验装置液晶终端显示Fig.5 Liquid crystal display of coaxial experimental device

图5 同轴试验装置液晶终端显示Fig.5 Liquid crystal display of coaxial experimental device

 

2 试验分析

试验依据国家检定规程JJG 1121-2015《旋进旋涡流量计》[4]进行, 选用某仪表企业生产精确度等级为1.5级, DN80口径, 型号为LUX-80的旋进旋涡流量计, 仪表编号为1412190, 流量范围 (18~200) m3/h, 试验如图6所示。图7为辅助标准法兰内侧光电三极管编号分布。

图6 同轴试验Fig.6 Coaxial experiment

图6 同轴试验Fig.6 Coaxial experiment 

 

图7 光电三极管编号分布Fig.7 Number distribution of the photoelectric triode

图7 光电三极管编号分布Fig.7 Number distribution of the photoelectric triode

 

由表2试验数据可知, 当仪表按照表1情况对准同轴情况下, 依据规程进行检定, 该仪表qt≤q≤qmax相对示值误差1.18%, 重复性误差0.07%, qmin≤q<qt相对示值误差+2.09, 重复性误差0.14%, 仪表系数为10108.3 (1/m3) , 准确度等级符合1.5级。当仪表在表2未实现对准同轴, 仪表轴线中心高于标准装置轴线中心情况下, 该流量计各点仪表系数已经发生变化, 尤其在小流量点变化显著, 偏差达到+102.7 (1/m3) , 仪表系数整体偏差了-101.3 (1/m3) , 依据规程经检定, 该仪表qmin≤q<qt区间示值误差超差, 准确度等级不符合1.5级, 检定结果不合格[5]。

表1 同轴试验光电检测数据Tab.1 Coaxial alignment photoelectric detection data    

表1 同轴试验光电检测数据Tab.1 Coaxial alignment photoelectric detection data

表2 同轴度试验仪表试验数据Tab.2 Data of the coaxial experiments     

表2 同轴度试验仪表试验数据Tab.2 Data of the coaxial experiments

因此可见计量部门检定人员在检定时由于人为未同轴连接流量计的失误引入的误差足以产生检定误判情况。

3 结语

气体流量计作为贸易计量的重要计量器具其使用已经越来越广泛, 目前广泛应用于天然气、蒸汽等贸易结算领域。与此同时该流量计的量值传递工作也愈加重要, 其量值溯源的准确度直接关系到企业和百姓的切身经济利益。本文研究了气体流量计与临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置同轴连接方法, 目标为实现该类流量计与标准装置误差在±1 mm内的同轴连接。经过试验分析进一步证明了气体流量计与标准装置同轴连接的重要性。


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