CN1056234C - 一种流体检测计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测浓度、流速、流量和产量等的两相流体管道检测计量装置，它由机电传感检测装置和仪器构成。机电传感装置采用在线式连续动态称重结构由串接在管道中的测量管和机电传感部分组成，包括弹性接头、测量管、钢丝绳、下杠杆、上杠杆、平衡压铁、偏心轮、微电机、测力传感器等部件；仪器由主机箱和电源箱组成，主机箱主机由Z80CPU控制。本发明装置作为一种方便实用的检测计量装置在泥浆、纸浆、水力采矿和化工溶液管道输送领域具有广泛的发展前景。

Description

一种流体检测计量装置

本发明涉及测量两个或多个变量的装置，特别是指一种能实现对生产现场适时监控、改善生产管理、可显示两相流体的浓度、流速、流量、产量和工作时间并能打印产量和工作时间数据的检测计量装置。

在固液或液液两相流体的连续管道输送中，例如泥浆、纸浆、水力采矿和化工溶液的连续管道输送，普遍地对混合流体的浓度、流量和产量有检测和控制要求。现有对两相流体浓度的检测，国内外一般采用放射性射线或各种波穿透管道或者通过管道反射折射进行检测，但这些方法受到诸如流质的性质、形状、大小和流质在流体中的分布状况，以及混合流体流速、管道的材料、直径等多方面因素的影响，存在着不能保证检测精度的缺陷，因而大大限制了其使用的领域范围。尤其在国内的大多数场合对浓度和流量的控制还是采用估算的方法，如挖泥船的工作量的计算往往采用插标杆等丈量方法，检测计量手段极为落后，远远跟不上工程作业的要求。

本发明的目的就在于改变传统的两相流体管道输送检测计量的落后状况，提供一种采用流体在线式连续动态称重方法检测两相流体，能够克服温度飘移、时间飘移、流体压力以及振动对检测精度影响的两相流体管道检测计量装置。这种装置可显示两相流体的浓度、流速、流量、产量和工作时间等控制指标，使生产过程得到有效控制，进而改善生产管理。

本发明的两相流体管道检测计量装置由机电传感检测装置和仪器构成。

机电传感检测装置采用在线式连续动态称重结构，由串接在管道中的测量管和机电传感部分组成，其沿管道的纵向长度为2000mm左右，包括弹性接头、测量管、外套管、压力传感器、超声流速探头、钢丝绳、下杠杆、上杠杆、平衡压铁、偏心轮、微电机、测力传感器等部件。测量管设有外套管，内外管之间注有添加了防冻液的防冻压力水，用以平衡弹性接头部位流体的压力。测量管通过两端的弹性接头与固定管道连接，压力传感器安装在前端弹性接头前的固定管道上，超声流速探头安装于测量管的前半部，测量管的两端通过两根钢丝绳分别与固定在其上部的上下两根杠杆相连，前端的钢丝绳连接下杠杆的前端，下杠杆的后端支承在上杠杆中部的下面，上杠杆的前端为平衡压铁、偏心轮和微电机，其后端与测量管后端的钢丝绳相连，上杠杆上还装有测力传感器。当进行工作时，流体流经测量管，由于浓度不断发生变化而使测量管内的流体重量也随着改变，这种变化通过钢丝绳和杠杆传递到传感器上并转换成电信号，电信号通过电缆传递给控制显示仪器。根据体积浓度与测量管中所称量的重量变化成线性关系的原理，于是就可以连续、动态地检测到与混合流体中浓度相的浓度成正比的电压信号。通过吸附在测量管的超声流速探头可以检测流体的流速。根据从测力传感器上得到的流体冲量面积和当量长度以及混合流体流经测量管所需的时间，可以测量出浓度相物质的体积产量。为了防止由温度飘移和时间飘移引起的浓度检测误差，机电传感检测装置采用了由微电机、偏心轮和测力传感器构成的短时卸载补偿机构，通过控制微电机定时使偏心轮转动，例如每小时转动一圈，由于偏心轮转动使上杠杆平衡压铁一端被微量压下后随即复位，从而使测力传感器卸载片刻(约几秒钟)，这时控制程序仍按卸载前瞬时的流体浓度来计量卸载期间的产量，这种稳定性补偿可以近似看作是在线式补偿。为了克服振动、摆动和冲击以及流体流量和工作压力脉动等因素对检测精度的影响，除了采用微机数据处理技术外，在机电传感检测装置中可以设置基准重量，在程序控制下通过与基准重量比较，校正称重误差。压力传感器将所测得的流体压力信号传递给仪器，通过程序处理，用以补偿流体压力对检测重量的影响。

仪器由主机箱和电源箱组成，电源箱位于主机箱上方。电源箱面板上设有电压表、电压调节旋钮、电源开关、接口和微机开关、流速仪开关、动应仪开关、记忆开关以及相应的指示灯等；电源箱后盖设有电源输入和输出口以及记忆和控制线接口；外接电源输入电源箱经交流稳压器、隔离变压器、低通滤波、直流变换等产生各工作电压供给主机。主机箱面板上设有两组数显管、调零按钮、清零按钮、打印机出纸口、浓度、产量/流量、时间、打印四琴键开关、浓度信号指示、压力信号指示、“在记忆中或重新设定”钮子开关、工作或调试钮子开关、稳定性补偿钮子开关、全基质辨识钮子开关、压力补偿钮子开关、累计打印清零钮子开关以及相应的显示灯等。三位数显管显示流速，六位数显管显示浓度、产量/流量、工作时间，仪器提供浓度和流速的电流输出接口，具有浓度、流速超限声光报警功能、停电或关机时的应急自动打印功能和基本数据长期记忆功能。主机由Z80CPU控制，采用了经过改进的CDJ-II型超声多普勒测速电路和YD-15型动应仪电路。CPU的三总线都有总线驱动缓冲器，其中数据总线驱动电路允许中断操作；数码显示采用静态显示以增加显示亮度；A/D和D/A转换器和继电器I/O电路为光电耦合；设有总线滤波器，使微机性能符合工控机的要求。为消除振动对检测精度的影响，主机采用电滤波法将干扰信号中的谐波成分滤掉，同时采用数字滤波法进行滤波，消除或减少各种干扰和噪音，使采样信号光滑。主机还设置了全载体辩识功能，使仪器在程序控制下先自动辩识管道中是否正通过载体而后才允许进入下一工况，无须人工干预。另外，仪器的数据保护功能使仪器开机后无须任何调试，即能进入监控工况。当进行工作时，由机电传感检测装置送来的各种信号，经放大器放大和滤波处理后，再由A/D转换器转换成数字量，微机读入这些数据并进行一系列分析、处理和运算，最终浓度、流速和产量等参数以十进制形式由数显管显示或通过微型打印机打印出来，浓度和流速并以0～10mA电流输出作为控制信号。主机的工作程序用Z80汇编语言编制，占8K存储单元固化在EPROM中，起始地址0000H，开机后即进入工作程序。

本发明的两相流体管道检测计量装置的测量范围、工作条件和精度指标如下：

一、测量范围

1.两相流体浓度          体积浓度＜60％(如不考虑管

                        道堵死，将不受限制)；

2.两相流体流速          0.5m/s～8m/s；

3.两相流体比重之差      ＞0.05g/cm³与检测管道直径有关。

二、工作条件

1.管道内径              ＞38mm；

2.管道材料              钢、铸铁、塑料等密实材料；

3.电源：                交流160～280V或直流20～30V；

4.仪器正常使用环境温度：0～40℃；

5.力传感器正常使用温度：

国产传感器-10～55℃，进口传感器-20～100℃；

6.仪器环境湿度：        ≤85％(相对湿度)。

三、精度指标：

1.浓度测量误差          ≤1％F.S(满量程)；

2.流速测量误差          ≤3％F.S(满量程)；

3.流速重复精度          ≤1％F.S(满量程)；

4.产量计量误差          ≤5％F.S(满量程)；

5.产量重复精度          ≤2％F.S(满量程)。

本发明的优点就在于采用流体在线式连续动态称重方法检测两相流体的浓度，与放射性射线等检测方法相比，减少了干扰因素，避免了辐射污染。还由于采用超声多普勒测速方法，检测元件不与流体接触，可以检测悬浮固体颗粒浓度较高和带腐蚀性的流体，扩大了两相流体检测范围，并具有安装维修方便的优点。同时由于采用微电机控制偏心轮定时转动卸载机构、设置基准重物以及采用液力平衡方式配合仪器相应控制程序解决了检测过程中的温度飘移、时间飘移和流体的压力变化以及振动、摆动及抖动等问题对检测精度的影响。因此本发明的两相流体管道检测计量装置作为一种方便实用的检测计量装置在泥浆、纸浆、水力采矿和化工溶液管道输送等领域具有广泛的发展前景。

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的机电传感检测装置示意图；

图2是本发明仪器的元器件及电路布置示意图；

图3是本发明主程序流程图。

参照图1，本发明的机电传感检测装置串接在管路中，其沿管道的纵向长度为2000mm左右，由压力传感器[1]、超声流速探头[2]、钢丝绳A[3]、下杠杆[4]、微电机[5]、偏心轮[6]、平衡压铁[7]、上杠杆[8]、测力传感器[9]、测量管[10]、钢丝绳B[11]、弹性接头[12]、固定管[13]、外套管[14]构成。压力传感器[1]安装在弹性接头前端的固定管[13]上，超声流速探头[2]安装在测量管[10]上，测量管[10]两端通过弹性接头[12]与固定管[13]相连，其两端接近弹性接头[12]处分别通过钢丝绳A[3]和钢丝绳B[11]与下杠杆[4]的前端和上杠杆[8]的后端相连；测量管[10]设有外套管[14]，内外管之间注有添加了防冻液的防冻压力水用以平衡弹性接头部位流体的压力，钢丝绳A[3]和钢丝绳B[11]出外套管[14]处安装有密封垫防止压力水的漏出；下杠杆[4]的后端支承在上杠杆[8]的中部下面，上杠杆[8]的前端为平衡压铁[7]、偏心轮[6]和微电机[5]，测力传感器[9]的一端安装在上杠杆接近中部的位置，其另一端及两杠杆的支承部位安装在外套管上。当进行工作时，流体流经测量管[10]时，由于流体浓度发生变化，使得测量管[10]内的流体重量也发生相应改变，测量管[10]重量的变化通过钢丝绳A[3]和钢丝绳B[11]，下杠杆[4]和上杠杆[8]，最终由上杠杆传递给测力传感器[9]，测力传感器[9]再通过电缆将采集到的信号连续地传递给仪器供处理。微电机[5]和偏心轮[6]等组成稳定补偿辅助机构，通过微电机[5]定时带动偏心轮[6]转动，如每小时转动一次，使测力传感器[9]定时卸载调零，克服时间飘移和温度飘移。平衡压铁[7]在系统振动、摆动时也对加速度力起着一定平衡作用。压力传感器[1]用于补偿流体压力对检测重量的影响。

参照图2，双点划线内为机电传感检测装置器件，包括稳定补偿微电机辅助机构[1]、测力传感器[2]、基准重量比较装置与测力传感器[3]、压力传感器[4]和超声流速探头[5]。仪器由下列电路和元器件构成：低通滤波I[6_-1]、低通滤波II[6_-2]、低通滤波III[6_-3]、数据放大器I[7_-1]、数据放大器II[7_-2]、数据放大器III[7_-3]、A/D转换器[8]、Z80微机[9]、多普勒测速电路[10]、频率电压转换器[11]、流速信号幅度处理器[12]、调零电路[13]、D/A转换器[14]、浓度、流速V/I转换[15]、数显组I[16]、数显组II[17]、DIP开关[18]、I/O接口[19]、LED指示[20]、光电耦合器[21]、控制信号检测[22]、继电器控制电路[23]、记忆控制电路[24]、声光报警[25]、打印头电源[26]、打印机[27]、产量十六位光隔开关量输出[28]、应急电源和控制[29]、抗干扰自恢复电路[30]、24V→220V逆变器[31]、交流稳压器[32]、隔离变压器[33]、低通滤波[34]、直流变换[35]、以及各工作电压[36]，当进行工作时，通过稳定补偿微电机辅助机构[1]、测力传感器[2]、基准重量比较装置和测力传感器[3]、压力传感器[4]采集信号，经过低通滤波[6_-1～3]、数据放大器[7_-1～3]、A/D转换器[8]进入Z80微机[9]进行处理、分析、运算并由数显组II显示浓度，数据放大电路可以采用改进的YD-15型动应仪电路，其频率响应约为100Hz。由超声流速探头[5]传递信号给多普勒测速电路[10]，多普勒测速电路为改进的CDJ-II型超声多普勒测速电路，这一电路增加了频偏脉冲的频率电压转换电路和输出保护电路。信号通过多普勒测速电路[10]，经频率电压转换器[11]、流速信号幅度处理器[12]、A/D转换器[8]进入Z80微机[9]进行处理和运算，并由数显组I[16]显示流速；根据浓度和流速，经Z80微机[9]分析运算，可得出产量和流量，并通过数显管II[17]显示。

参照图3，图中序号显示的程序内容是：开始[1]、工作或调试[2]、数显组II作数字电压表用[3]、数据初始化[4]、数据记忆[5]、记忆成功[6]、出错代号[7]、数据由记忆区→工作区[8]、调稳补模块1.2.3[9]、稳定性补偿？[10]、调稳补模块1[11]、稳补成功？[12]、出错代号[13]、流速合格？[14]、出错代号[15]、全基质辨识[16]、调零和存余数[17]、压力补偿[18]、建立压力、浓度称重修正表[19]、数据由工作区→记忆区[20]、读入DIP开关[21]、IM₂开中断[22]、数显组I显示流速[23]、数显组II显示浓度、流量或产量[24]、100ms到？[25]、求浓度流速20次采样平均值[26]、2秒到？[27]、求浓度流速400次采样平均值[28]、超过时限[29]、声光报警[30]、计算时间[31]、到整小时[32]、调稳补模块1.2.3[33]、产量计算[34]、产量十六位开关量输出[35]。从机电传感检测装置传递检测信号给仪器，经上述程序分析、处理、综合、运算，最后得出浓度、流速、产量和流量值。

以下是本发明的一个实施例，本发明的实施并不局限于这一实施例。

某玻璃砂生产厂年产精选玻璃砂30万吨，采砂船进行水下开采，每小时开采量80～100吨(砂浆量300～400M³/小时)。原采用国内生产的γ射线浓度计和电磁流量计，出现以下一些问题：<1>仪器无防震装置故障频繁；<2>体积大使用不便；<3>只显示浓度和流量，无产量显示不利于班组考核；<4>检修船内设备时工人惧怕靠近放射源。经对本发明的检测计量装置试用，用户认为有以下几方面的优点，<1>体积小不怕震，无放射污染；<2>显示功能多，便于采砂船操作和管理；<3>设置超限报警装置给采砂船均衡生产带来很大好处，第一后续工艺不因浓度过高出现跑粗、堵沟、堵管现象，第二不致于浓度过低降低产量浪费电力。经实船检验：以矿浆浓度壶测定与本发明装置显示的浓度值对照，测定时间为4小时，每隔15分钟分别记录本发明装置浓度显示值和测定输砂管出口处浓度值，经测定，矿浆浓度壶测定浓度平均值为32.33％，本发明显示浓度平均值为32.30％，相差仅0.03％。以存放在堆场实际堆放数与本发明装置显示的产量累积数对照，测定时间为一个班(八小时)，实际测得班产量672吨，本发明装置显示班产量685吨，两者相对误差1.9％。用户认为非常适合玻璃砂采砂船的使用，希望尽快推广应用。

Claims (2)

1、一种两相流体管道检测计量装置，由机电传感检测装置和仪器构成，其特征在于：

(1)机电传感装置采用在线式连续动态称重结构由串接在管道中的测量管和机电传感部分组成，包括弹性接头、测量管、钢丝绳、下杠杆、上杠杆、平衡压铁、偏心轮、微电机、测力传感器；测量管通过两端的弹性接头与固定管道连接，测量管的两端通过两根钢丝绳分别与固定在其上部的上下两根杠杆相连，前端的钢丝绳连接下杠杆的前端，下杠杆的后端支承在上杠杆中部的下面，上杠杆的前端为平衡压铁、偏心轮和微电机，其后端与测量管后端的钢丝绳相连，上杠杆上还装有测力传感器；当进行工作时，流体流经测量管，由于浓度不断发生变化而使测量管内的流体重量也随着改变，这种变化通过钢丝绳和杠杆传递到传感器上并转换成电信号，电信号通过电缆传递给控制显示仪器；根据体积浓度与测量管中所称量的重量变化成线性关系的原理，于是就可以连续、动态地检测到与混合流体中浓度成正比的电压信号；通过吸附在测量管的超声流速探头可以检测流体的流速；根据从测力传感器上得到的流体冲量面积和当量长度以及混合流体流经测量管所需的时间，可以测量出浓度相物质的体积产量；为了防止由温度漂移和时间漂移引起的浓度检测误差，机电传感检测装置采用了由微电机、偏心轮和测力传感器构成的短时卸载补偿机构，通过控制微电机定时使偏心轮转动，由于偏心轮转动使上杠杆平衡压铁一端被微量压下后随即复位，从而使测力传感器卸载几秒钟，这时控制程序仍按卸载前瞬时的流体浓度来计量卸载期间的产量，这种稳定性补偿可以近似看作是在线补偿；为了克服振动、摆动和冲击以及流体流量和工作压力脉动因素对检测精度的影响，除了采用微机数据处理技术外在机电传感检测装置中设置基准重量，在程序控制下通过与基准重量比较，校正称重误差。

(2)仪器由主机箱和电源箱组成，外接电源输入电源箱经交流稳压器、隔离变压器、低通滤波、直流变换产生各工作电压供给主机；主机箱主机由Z80CPU控制，采用YD-15型动应仪电路；CPU的三总线都有总线驱动缓冲器，A/D和D/A转换和继电器I/O电路为光电耦合，设有总线滤波器。

2、根据权利要求1所述的两相流体管道检测计量装置，其特征在于机电传感检测装置还包括外套管、压力传感器、超声流速探头，测量管设有外套管，内外管之间注有添加了防冻液的防冻压力水，压力传感器安装在前端弹性接头前的固定管道上，超声流速探头安装于测量管的前半部；仪器采用了CDJ-II型超声多普勒测速电路。

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