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生具有非常重要的現實意義。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階段，我國部分新修訂的蒸汽流量計計量檢定技術規范已經出臺了這方面的規定。我國現階段氣密特性測試方式的關鍵在于制造企業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JJG633—2005《蒸汽容積式蒸汽流量計》、JJG643—2003《標準儀表法總流量規范裝置》、JJG1037—2008《渦輪流量計》、JJG1029—2007 《渦街流量計》和JJG875—2005 《數字壓力計檢定規程》，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、開發和設計。

1.1 技術參數

根據技術標準的規定，該裝置的溫濕度記錄主要參數規定如下表所示。

表 裝置溫濕度參數要求

1.2 外型結構設計

現階段常用的LBS型出水量規格裝置可用于φ65、φ80、φ100、φ125、φ150、φ200等不同規格的流量計的檢驗，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格儀表板的管道轉換，使一臺實驗裝置實現對不同規格儀表板的檢測。為保證管線與自然環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，根據不同規格法蘭的拆卸更換，完成不同規格管路的轉換，實現不同規格儀表盤的在線監控，如圖2所示。

圖2 法蘭結構實物圖

1.4 控制系統的設計

控制系統軟件包括流量計運行控制、模擬環境控制、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量、流量、時間等，可以實時采集各個流量計的運行數據。根據不同的運行方案，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、壓力等數據，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。根據不同的氣候特點，制定不同環境的方案，通過控制溫度和濕度，驗證流量計在不同環境條件下的性能。

1.4.3 檢定控制

依據氣體流量計的檢定規程，通過控制檢定系統，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，掌握流量計運行在不同時間點和溫度點下的運行狀態。

1.4.5 文檔管理

可以輸出運行報告、檢定報告、流量計檢測數據以及歷史數據查詢。

1.5 冷熱循環系統的設計

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

1.6 噴霧系統的設計

噴霧系統采用電加熱蒸汽加濕，根據位置控制調節真空電磁閥，控制加濕，交流電壓調節器的主要作用是調節噴霧的抗壓強度。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據采集、數據信息測量、轉換成表格、操作調整等。首先根據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壓力調節閥解決，然后通過過濾裝置進入清潔氣體，進入精密測量過程。量程切換閘閥根據需要的量程選擇傳感器，并用壓力表監測各部位的壓力。系統軟件工作時，打開真空電磁閥、普通反饋壓力表閘閥、普通標準表閘閥等，根據手機軟件調整到預定壓力后，根據電腦斷開所有電動閘閥。此時，被檢儀表和標準數據壓力表串聯在同一管道中，管道兩側閘閥關閉，被檢儀表和標準數據壓力表上的壓力為相同的。規格數據壓力表的數據信號根據網絡系統輸出，采集到工業自動化電子計算機，即時指示。根據比較分析法，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。根據被測蒸汽流量計的最大壓力選擇標準數據壓力表，按相應技術規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，進行數顯壓力表頭壓力指示誤差的檢查。根據相應的計量檢定技術規范設定各項主要參數，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

標準數據壓力表：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：壓力調節閥降低血壓，量程切換閘閥根據需要的量程選擇傳感器，真空電磁閥主要實現切向氣路源，確保測量段準確，壓力穩定。氣動閥：高壓氮氣瓶。變壓器：壓力控制器。數據采集裝置：PLC采集。

數據信號采集部分包括規格采集部分和其他溫度壓力數據信號采集部分。標準數據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通訊協議傳輸到計算生成系統軟件，按照之前的系統軟件轉換成RS232協議。將傳輸的數據交給電子計算機，計算機根據手機專用軟件對協議內容進行加載，并將其轉換成合適的可加載標準值。溫度和壓力數據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，電子計算機根據手機軟件上的選擇通過RS232和RS485協議的轉換傳輸到PLC，并選擇相應的壓力通過PLC操作系統上的傳感器，使通訊穩壓器可以有相應的壓力反饋數據信號，交流穩壓器根據壓力數據信號調節開度（壓力），經過硬件配置轉換后進行輸出，根據PLC的擴展數據采集模塊重新生成壓力和溫度數據信號。根據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，該系統將PLC和其他連接的電子計算機與必須根據定義它的通信協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，根據數據信息加載數據收集部分。根據手機軟件內部進行的信息解決方案，進行數據信息測量驗證。

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，多項測試數據證實了新項目產品，技術水平完善，實現了原設計方案。

5 結束語

綜上所述，結合現階段的檢測技術、檢定技術、計算機集散控制系統、現場總線控制系統，該設備可實現對流量計運行狀態下的全程監控，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。本設備用于研發測試，可以提高新產品在不同環境下使用的穩定性、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，日益高科技的發展趨勢，選用高性能測量儀器、自動控制技術系統和電子信息技術等，提高了高新技術的應用水平，促進了科學技術的發展。