大口徑流體自動化校準測試系統研究

丁逸倫,丁 斌,趙慶嶸,陸 春,張 凱

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

1 系統結構

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的流量,其常見的是以時差法、頻差法和速差法為原理。在實際檢測中,除了本身測量的原理,設備的精度和安裝又很大程度決定了測量結果的準確性,主要是本身就存在很多干擾性的因素,其中最關鍵的一點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驗以及檢測設備的性能要求,但是即使操作人員經驗豐富,檢測設備性能優異,也無法解決因為實際操作所存在的原理性問題導致的測量誤差以及測量技術性問題[1-5]。因此,為解決目前超聲大口徑管道流體檢測的關鍵問題,保證超聲檢測的科學性,本項目設計了一套智能型大口徑流體自動檢測系統。

本項目結合基礎超聲檢測原理以及多種技術,包括機械自動化、系統計算算法結構、傳感器技術等,通過以上技術分別自研管道口徑自動測量系統、圓周運動自動化運動單元、X軸運動定位單元、系統可視化軟件系統等,所有系統部分都自建通信架構實現系統聯動通信,進行數字化數據通信傳送(見圖1)。通過通信總線實現所有部件獨立而且系統化運作,可以進行運動方案的編制,進行自動計算并定位制定管道位置,通過顯示軟件可以展示立體運動模型,通過軟件可以模擬運動路線,設計最優化測試方案,經軟件控制自動執行目標,數據經過軟件處理,最終全程自動計算測試結果。

圖1 系統架構

整體系統具備完善的機械結構,可以實現超聲換能器的準確定位運動。系統包括多個自動控制運動單元以及測量單元,所有單元可實現局域組網,通過終端系統實現局域超控。在設備的運動可測量過程中實現系統一體化,所有部分通過校準實現同步,在系統以及控制單元系統的結合下,按照終端的方案設計要求實現對運動單元即換能器的定位,從而實現準確定位放置,超聲換能器可通過運動單元實現換能器的定位運輸,如圖2所示。外徑測量系統由兩套傳感器系統組成,在測量管道外徑的同時,實現管道平行軸線的定位,以此可以實現準確而且科學的測量基礎。

圖2 系統設計模型

2 外徑測量系統

圖3 外徑測量原理

在外徑測量中以微機核心處理器作為數字化處理核心器件,同時采用自研電磁感應傳感器測量位移,直接反映了圓周外徑所對應的L,通過三角函數計算,可以直觀得出對應的R。經過測試,此設計方案最高誤差可以達到0.1 mm,完全滿足方案的設計目標要求。外徑測量系統除了傳感器的接入,還包括無線通信模塊、顯示模塊、測量校準復位模塊。以單片機LPC824為核心處理器,通過對相關集成電路進行通信控制,實現整個系統的運行,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行本地化設置,包括地址編碼以及溯源測試。通過USB有線本地設置可以實現超級管理員本地設置權限,實現對測量單元的最高設置要求。設置下發的地址編碼通過EEROM的存儲介質存儲于指定扇區,每次系統上線將通過編制地址進行數據處理,本身具備無線通信的單元,可以通過無線抄送進行本地組網。此功能的設計主要實現本地系統單元進行系統化超控,超級終端進行組網抄送時將下發廣播式命令,本地單元通過特定地址進行數據上傳,終端系統通過地址識別相應的外徑測量單元而實現系統配置,通過握手信息之后,單元測量模塊將通過上傳數據實現終端數據的立體化展現,實現系統的可視化要求。系統可以通過手動或者自動(系統通信設置)完成對測量系統的校準和復位,以便于日常測量的校準以及系統的溯源,同時此系統配備雙外徑測量,保證了管道定位的準確平行軸線,確保了超聲運動模塊在定位中的科學性和準確性。

3 運動單元

系統具備全自動運動單元,可通過生成坐標實現對換能器的自動定位運動輸送。通過系統設置計算系統定位坐標,將現場測量數據包括外徑測量結果以及原點定位零點,通過主機系統實現準確定位計算。運動單元通過設計運動實現自動歸零運動,單元通過強磁性運動驅動器進行鋼體表面吸附,通過驅動器進行運動驅動。管道的吸附運動可實現大于270°的運動圓周角度,同時X軸的定位通過軸向的相對位移傳感器進行,通過雙軸向驅動,最終形成了立體型圓周管道運動。圓周脈沖式光柵傳感器以及X軸定位傳感器可實現最小0.1 mm的定位精度,理論上實現0.1°圓周運動定位角度,可以很大程度上避免人為測量定位不準確所導致的人為誤差,解決了因人為操作所導致的超聲測量偏差。

此運動部分包括兩套系統,分別為兩個超聲單元的載體部分,以實現外夾式超聲測量的形式要求。而運動則包括X軸和圓周運動,以實現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算。對于圓周運動,通過脈沖式光柵傳感器進行步距角實現,其換算的基礎主要基于第二部分外徑測量單元的測量結果,通過外徑測量部分對于外徑的實際測算進而結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數實現對單圓周運動所對應的相應角度關系,通過立體換算、多平面的結合,最終實現相對圓心角度多對應的相對角度。由于被測管道的管徑不一,所以圓周運動中必須克服隨機管道直徑所能適應的機械結構。因此,在設計的機械結構中,需存在彈性的伸縮裝置。通過彈性的伸縮裝置實現不同外徑的外夾式調整,但是由于1套系統中設計有4套運動機構,因此在彈性裝置中分別加入準確的角度外夾裝置,以同步化4套機構的運動步距,最終實現4套系統的同步性,以此保證在圓周相對運動中的相對角度誤差。

除圓周相對運動外,同時存在軸向X軸運動。X軸的運動主要實現對于相對位置的X軸距離定位,即對于探頭相對直線位置的定位計算,此部分主要通過精密絲桿的運動實現單元的運動。精密絲桿的圓周轉動即為相對換算運動單元的運動單元距離,此方向在運動之前需設定原點位置,同時必須保證兩個單元的原點為絕對一致。因此,在設計加工絲桿的相對位移尺中必須設計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,實現對于原點的確定,通過單位容柵位移定位裝置實現相對位移的運動定位。在運動過程中通過原點定位結合電機步距角的相對測算,實現X軸相對定位,此單元也如其他所有測量單元一樣,具備無線組網硬件條件,通過本身地址的編制以及運動方案的下發設置,終端可以通過系統的協議命令,實現對其相對位移的超控,在終端可視化系統中實現相對位移的可視化效果,同時可以通過終端編輯系統手動或者自動的設計,實現此單元的自動化定位行走。

運動單元控制電路,如圖4所示。除了基本的機械運動結構,主要由驅動部分、定位傳感器、通信結構、數字控制部分等組成,可實現實時通信,系統控制中同時結合PID控制算法,在運動穩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控制驅動器,實現步進電機的運動,相對的運動距離通過相應的位移傳感器進行定位,實現閉環式控制定位。

圖4 運動單元控制電路

4 結語

此系統通過一系列的軟硬件設計以及機械化運動結構,結合系統軟件的配套和數字化檢測設備,實現對超聲波流量計換能器的定位傳送,改變了以往人為手工測算和安裝的現狀,從理論上實現了以往依靠經驗操控檢測設備過渡到數字化檢測的進步,很大程度上提升了以往依靠人為經驗以及設備的優越性才能完成的測量精度。通過系統終端對傳感器以及運動控制系統的組網、可視化系統以及數字化的展示,實現了大口徑流體測量的科學性、合理性,對測試數據實現閉環。標準化的設備以及自動化測試流程對于測量數據來說更加科學,同時采用此設備可以對相同條件下的檢測設備進行對比,可以很大程度上降低設備采購成本,更加科學地實現了對使用者成本的控制,對于測量設備而言,減少了人為計算誤差和操作誤差。