CN102435241B

CN102435241B - 基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法

Info

Publication number: CN102435241B
Application number: CN 201110290231
Authority: CN
Inventors: 胡鹤鸣; 孟涛; 张亮; 王池; 高峰
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102435241A

Abstract

本发明涉及一种基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，在流量计管段底部布置三脚架，安装全站仪并调水平，利用全站仪测量若干个管壁点，通过专用软件拟合得到管段的虚拟轴线，并进一步依据流量计的声道空间位置关系，计算每一个换能器的位置角度；由马达自动驱动全站仪，使其激光指示点指向预期安装点，换能器探头中心初步移至该点，并利用望远镜中的十字丝对换能器进行精确定位，在该位置处对换能器进行安装；重复以上操作，逐个完成换能器的定位与安装。该方法的优势在于操作过程流程简单，测量速度快，不需要复杂的前期准备工作，安装精度高。

Description

基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法

技术领域

本发明涉及一种超声流量计换能器的安装定位方法，尤其地涉及一种基于全站仪的对超声流量计换能器进行安装定位的方法。

背景技术

随着能源和水资源的全球性匮乏，一批关系国计民生的大型水利工程和引水调水工程在我国迅速开展，如三峡水利枢纽、南水北调工程等。在这些工程项目中经常包含一些口径和流量都很巨大的管道，例如水电站机组进水管道，对于这种管道，常规流量计无法适应，这是由于一般的流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装困难等。超声流量计是近年来发展起来的一种流量测量仪表，其可在现有管道管上安装、对于大口径流量测量有着天然的优势。超声流量计采用模块化结构，流量计的制造不受流道大小的限制，多声道配置可以适应各种不同的流道结构和流态分布，在不利的水流条件下也能达到较高的流量测量准确度，成为大口径水流量测量的最佳技术选择。

多声道超声流量计换能器的安装位置有着非常严格的要求，必须将换能器准确地安装到设计的位置才能保证流量测量的准确性。对于口径大于3m的管道来说，由于管道口径较大，需要搭建脚手架以方便流量计的安装和定位。在现有的安装方法中，通常利用经纬仪对换能器进行定位，并在管段两端分别安装靶板来确定管段轴线，把经纬仪安装在两个靶板中间的平台上，然后利用经纬仪对设计安装位置处的换能器进行逐一定位；由于经纬仪需放置在管道轴线上使用，需要先确定管道的轴线，通常确定管道轴线的方法是采用在管道截面上画8个圆弧的方法来确定圆心，在两个圆心位置安装靶板来确定轴线，但是这种方法通常会引入较大的不确定度。

综上，由于经纬仪进行定位安装的流程比较复杂，且换能器的安装准确度也受到靶板位置的影响，从而影响流速测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是克服利用经纬仪对换能器的安装定位复杂、容易受到靶板位置影响的问题，提供一种便捷、准确的换能器安装定位方法。

本发明提供了一种基于全站仪的对超声流量计的换能器进行定位的方法。由于全站仪兼具测角和测距功能，故不必利用靶板来提供轴线，而是利用测量管壁上的坐标点，拟合得到一条虚拟轴线，再通过换能器的几何关系来确定其位置，流程简单，操作方便，准确度高。

本发明提供了一种基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其在待测管道中安放全站仪；利用全站仪测量若干个管壁点，拟合得到管段的虚拟轴线；控制全站仪，使其对设计安装位置进行定位，将换能器探头中心移至该位置，在该位置处安装换能器。

其中，该方法进一步包括在利用全站仪进行测量前，对全站仪进行调平。

其中，全站仪测量50个以上的管壁点。

其中，通过所选择的管壁点的坐标来拟合圆柱面得到管段的轴线方向。

其中，由马达自动驱动全站仪，使其激光指示点指向设计安装位置，将换能器中心初步移至该位置，并利用望远镜中的十字丝对换能器进行精确定位，挪动换能器使激光指示点正好在换能器的中心。

其中，所述管道的口径大于3m；所述管道为水平管道或倾斜的管道。

该方法的优势在于：流程简单，定位速度快，缩短工期。不必设定靶板来确定实际轴线，不必提供单独的经纬仪安装平台，在管段底部安装即可；定位精度高，利用管段壁面上的多点来确定轴线，轴线的准确度高，进而换能器的安装精度也高。

附图说明

图1声道速度测量示意图

图2圆柱面参数化

图3水平管道安装示意图

图4倾斜管道安装示意图

具体实施方式

为了本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合实际实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例一

超声流量计的基本原理是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差，测量声道上的平均速度，如图1所示，并在测流截面上布置多对换能器，测量多条声道上的平均速度

，然后根据不同声道平均速度所占的权重系数w_i不同，用加权平均的方法计算出流量，

Q = A \cdot Σ_{i = 1}^{N} w_{i} \cdot {\overset{&OverBar;}{v}}_{i}

换能器准确的安装定位对于超声流量计流量测量的准确度具有非常重要的意义。由于超声流量计采用固定的权重系数，为了获得准确的截面平均流速，要求换能器安装位置要非常准确，声道高度和声道角度要与流量计的设计值完全一致。为实现换能器的准确安装定位，首先需要在流量计段管壁上选择若干个比较均匀的测点并测量其三维坐标，利用这些三维点坐标拟合柱面，可以得到管道的半径和管轴方向；然后依据流量计设计的声道空间位置关系，计算每一个换能器对应的位置角度，利用全站仪对换能器的安装位置进行精确定位，从而确保了在计算公式中权重系数的正确匹配，进而保证流量测量的准确度。

采用全站仪对管道的壁面点的三维坐标进行采集，优选该全站仪为瑞士徕卡公司生产的TPS1200系列中的TCRA1202型，该全站仪在无棱镜、小于400m的范围内的测长精度为2mm+2×10^-6D，测角精度一般为3-6″。另外为了防止意外产生的错误，对容易接触到的测点可采用测量精度为1mm的钢卷尺进行长度复测校准。

在利用全站仪进行管壁点的坐标采集之前，首先，需要在管道底部位置上建立测站，安装全站仪，通过在流量管段底部对全站仪的三脚架调节，使全站仪安装稳定可靠，开启全站仪的专用软件系统，进入工作状态；当对全站仪调整到位后，在管道上选择若干用于拟合管轴方向的管壁点进行测量，为了准确获得管轴方向，管壁点应均匀选取，通过设定管壁点的布置方案，利用马达驱动全站仪自动获取设定点的坐标；通过这些管壁点比较准确的获得管道轴线，优选管壁点不少于50个，优选可以在换能器即将安装的区域附近进行选取，且在测量范围内分布大致均匀。另外，对于某些大口径或超大口径的流量管道，通常具有连接管道的焊缝，为了便于选取管壁点，优选以流量计安装管段上的焊缝作为参照对象，逐圈进行取点测量，其有利于提高圆柱拟合的准确度。

采集到管壁点坐标以后，利用数学中的优化理论获得管段的位置和姿态，用于分析超声流量计的特征几何量。圆柱面方程是非线性的二次方程，直接求解不容易迅速得到收敛解，需要对圆柱面重新进行参数化，如图2所示。

坐标系原点为O点，圆柱面轴线C1C2的方向矢量为a，原点O在轴线C1C2上的垂足为O’，OO’的方向矢量为n，显然n为圆柱面的一个法向量，a·n＝0；ρn为圆柱面上离原点O距离最近的点，即OO’与圆柱面的一个交点，ρ为其距离；κ为点ρn处的最大曲率值，1/κ可以表示圆柱面半径。a和n均为相互垂直的两个单位向量，具有3个自由度，可以用三个角度表示，

其中，l是n与z轴的夹角，是n在z＝0面上的投影与x轴的夹角，α是a与向量

的夹角。

这样，圆柱面就参数化为

具有5个自由度。圆柱面采用如此的参数化，能够避免直接用两个圆心加半径的方式带来的额外的约束，有利于后面非线性最优化方法的应用。圆柱面的拟合问题实际上就是令测量点到圆柱面的距离平方和最小的问题。

通过拟合可得到管道的虚拟轴线；并进一步依据流量计的声道空间位置关系，如图3所示给出的位置关系图，在水平的流量计安装管道1上，得到多个虚拟声道3，流量计的换能器恰好安装在虚拟声道与柱面的交点处，根据具体的安装关系计算每一个换能器4需要安装的位置角度，由全站仪2的控制软件发出指令，优选由马达自动驱动全站仪，使其激光指示点指向预期安装点，将换能器中心初步移至该点，并利用望远镜中的十字丝对换能器进行精确定位，使激光指示点正好在换能器的探头中心位置，在该位置处对换能器进行安装；重复以上操作，逐个完成换能器的定位与安装。

实施例二

如图4所示，对于倾斜的管道，当需要在倾斜的管段内安装超声流量计时，在管段内部合适的位置建立测站，在流量计管段底部调平三脚架，安装全站仪并调水平；当对全站仪调整到位后，利用全站仪对倾斜管段上选取的管壁点进行测量，获取其坐标值，为了准确获得管轴方向，优选管壁点不少于50个，均匀选取管壁点，使管壁点在管道上的分布具有代表性，能够通过这些管壁点比较准确的获得柱面轴线。优选可以在换能器附近管段附近进行选取，且在测量范围内分布大致均匀。如图4所示，给出了四个声道path1，path2，path3，path4，采用全站仪对预计安装换能器的位置进行定位，软件发出指令，优选由马达自动驱动全站仪，使其激光指示点指向预期安装点，将换能器中心初步移至该点，并利用望远镜中的十字丝对换能器进行精确定位，使激光指示点正好在换能器的探头中心位置，在该位置处对换能器进行安装；重复以上操作，逐个完成换能器的定位与安装，从而使流量计被准确安装在倾斜管段内。

全站仪通过测量两焊缝上测点，拟合管道柱面并得到管道虚拟轴线；测量管道内壁散点，拟合管道内壁圆柱面并判断管路圆柱度；依据流量计的声道空间位置关系，计算每一个换能器的位置角度，利用全站仪对换能器的安装进行定位。因此，通过全站仪可实现对超声流量计换能器的便捷、高效的定位安装。

综上所述，一台全站仪可以完成超声流量计全部换能器的定位安装，而且操作过程流程简单，定位速度快，不需要复杂的前期准备工作，安装精度高，利用若干管段壁面点来确定轴线，轴线的准确度高，进而换能器的安装精度也高。测量准确度满足流量计量要求。但在实际应用中应注意由于全站仪受到使用范围及准确度的限制，其更适用于大口径流量计的测量，对于口径小于3m的流量计，则不太适合使用其进行测量。

虽然本发明是参考其优选实施例示出和描述的，但本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离附属的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节的各种改变。

Claims

1.一种基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，

在待测管道中布置全站仪；

均匀选取管壁点，使管壁点在管道上的分布具有代表性，利用全站仪测量若干个管壁点，拟合得到管段的虚拟轴线；

依据流量计设计的声道空间位置关系，计算每一个换能器对应的位置角度，控制全站仪，使其对设计安装位置进行定位，将换能器中心移至该位置，在该位置处安装换能器；其特征在于：由马达自动驱动全站仪，使其激光指示点指向设计安装位置，将换能器中心初步移至该位置，并利用望远镜中的十字丝对换能器进行精确定位，挪动换能器使激光指示点下好在换能器的中心。

2.如权利要求1所述的基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其特征在于：该方法进一步包括在利用全站仪进行测量前，对全站仪进行调平。

3.如权利要求2所述的基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其特征在于：全站仪测量50个以上的管壁点。

4.如权利要求3所述的基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其特征在于：通过所选择的管壁点的坐标来拟合圆柱面得到管段的轴线方向。

5.如权利要求3所述的基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其特征在于：所述管道的口径大于3m。

6.如权利要求3所述的基于全站仪的超声流量计换能器安装定位方法，其特征在于：所述管道为水平管道或倾斜管道。