CN116818057B - 一种流量计现场计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量计现场计量系统及方法，包括抱臂顶端压块、抱臂一、换能传感器一、换能传感器二、清洁注胶装置、传动丝杆、导轨、井下信号处理主机、主架横梁、抱臂二，通过控制横梁压块以及抱臂顶端压块内的测厚仪进行壁厚测试，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离，驱动两个换能传感器到达安装位置，传感器顶端电机驱动传感器下压至定位位置，主机发送测量信号后，换能传感器发出超声波信号进行流量测量，同时信号处理主机与井上便携主机以及被校流量计数表无线通信，传送被测数据进行实时比对。本发明不仅能够解放流量现场计量校准过程中的劳动力，而且计量校准精度稳定、可靠。

Description

一种流量计现场计量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种超声波时差法计量的全自动现场流量计量校准系统及方法，属于流量检测技术领域。

背景技术

在计量部门采用超声波流量计进行流量校准的现场，环境往往十分恶劣，需要计量人员下到污水横溢的水表井中进行超声波流量计的安装与校准，在校准前需要对管径、水管壁厚等参数先进行测量，然后根据这两个测量参数确定换能传感器在管壁上安装的距离，这个距离往往需要人员用尺子以及壁厚仪手动测量，因为环境恶劣，计量人员测量次数与测量布点有限，手动测量容易产生位移以及壁厚的误差。在测量好距离后，还需要对换能传感器安装的位置进行清洁、抹耦合胶剂，再用相应的扎带或者绳索牢牢绑定换能传感器，以确保换能传感器与管壁之间安装后没有气隙影响测量结果，此过程容易产生位移误差，对测量结果产生不利影响。而在超声波流量计工作时，计量人员需要比对现场被校流量计数值与标准超声波流量计的数值，因为靠人眼读数，两个读数无法同步，从而会对计量结果准确度带来影响。

鉴于以上的情况，现场流量的计量校准相比实验室有几个无法克服的缺点：1、环境恶劣致人员操作困难，导致计量人力成本过高；2、环境恶劣加之手动操作导致准确度容易受到影响，现场计量的准确度要求往往比实验室要低一到两个数量级。

目前的单片机以及物联网技术在姿态控制、数据采集、计算分析方面具备人工不可比拟的优势，采用该技术可以很好地弥补上述现场流量计量校准传统方法的缺点。

发明内容

发明目的：为了流量现场计量因环境恶劣致人员操作困难，计量人力成本过高以及准确度不高的问题，本发明提供一种流量计现场计量系统及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种流量计现场计量系统，包括抱臂顶端压块、抱臂一、换能传感器一、换能传感器二、清洁注胶装置、传动丝杆、导轨、井下信号处理主机、主架横梁、抱臂二，其中：

所述主架横梁上设置有两个横梁压块，且所述横梁压块分别位于抱臂一、抱臂二的外侧。所述抱臂一、抱臂二通过转轴转动安装在主架横梁上，所述主架横梁上设置有抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二，抱臂驱动电机一与抱臂一驱动连接，所述抱臂驱动电机二与抱臂二驱动连接。所述抱臂一的两个端头分别设置有第一伺服电机一、第一伺服电机二，所述抱臂二的两个端头分别设置有第二伺服电机一、第二伺服电机二。所述抱臂顶端压块分别安装在第一伺服电机一、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二的伸缩端。所述抱臂顶端压块、横梁压块内设置有测厚仪。

所述传动丝杆、导轨安装在主架横梁上，所述换能传感器一、换能传感器二、清洁注胶装置分别与导轨滑动连接，所述换能传感器一上设置有传动螺母一和螺母驱动电机一，所述传动螺母一通过轴承转动安装在换能传感器一上，且所述传动螺母一与传动丝杆螺纹传动连接，所述螺母驱动电机一与传动螺母一传动连接。所述换能传感器二上设置有传动螺母二和螺母驱动电机二，所述传动螺母二通过轴承转动安装在换能传感器二上，且所述传动螺母二与传动丝杆螺纹传动连接，所述螺母驱动电机二与传动螺母二传动连接。所述清洁注胶装置上设置有传动螺母三和螺母驱动电机三，所述传动螺母三通过轴承转动安装在清洁注胶装置上，且所述传动螺母三与传动丝杆螺纹传动连接，所述螺母驱动电机三与传动螺母三传动连接。

所述井下信号处理主机安装在主架横梁上，且所述井下信号处理主机分别与抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二、第一伺服电机一、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二、换能传感器一、换能传感器二、清洁注胶装置、螺母驱动电机一、螺母驱动电机二、螺母驱动电机三连接。

优选的：包括信息收发单元，所述井下信号处理主机通过信息收发单元接收信息和发送信息。

优选的：所述清洁注胶装置包括清扫机构和注胶机构，所述清扫机构包括铁毛刷、毛刷伸缩电机以及毛刷旋转电机，所述毛刷伸缩电机固定安装在清洁注胶装置上，所述毛刷旋转电机安装在毛刷伸缩电机的伸缩端，所述铁毛刷安装在毛刷旋转电机的旋转输出端。

一种流量计现场计量方法，采用上述流量计现场计量系统，包括以下步骤：

步骤1，通过吊索将传动机架吊放置到被测管道上。

步骤2，井上便携主机发送测试信号，井下信号处理主机控制两个抱臂顶端伺服电机推动抱臂顶端压块压紧被测管道，同时控制横梁压块以及抱臂顶端压块内的测厚仪进行多点壁厚测试。

步骤3，井下信号处理主机根据三个压块的坐标位置计算出被测管道直径，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离。

步骤4，井下信号处理主机根据两个换能传感器的安装距离，控制清洁注胶装置在两个换能传感器安装位置进行打磨清洁注胶，然后行驶至滑轨终端。

步骤5，井下信号处理主机根据两个换能传感器的安装距离，驱动两个换能传感器到达安装位置，传感器顶端电机驱动换能传感器下压至定位位置，使换能传感器顶面与被测管外壁紧密贴合。

步骤6，井下信号处理主机发送测量信号后，换能传感器发出超声波信号进行流量测量，同时信号处理主机与井上便携主机以及被校流量计数表无线通信，传送被测数据进行实时比对。

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其中，为管道内流体流量，为测量时间，为流速修正系数，为超声波传播速 度，为管径，为两个换能传感器的安装距离，为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的 时间差。

优选的：步骤3中根据三个压块的坐标位置计算出被测管道直径，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离的方法：

步骤31，通过多种口径的管道试验获取两对称伺服电机位移进程的查表数据。

步骤32，采用最小二乘法获得管径对应伺服电机的位移进程的关系曲线。

步骤33，校准时根据伺服电机的位移进程直接获取管径。

步骤34，根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离。

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其中，为两个换能传感器的安装距离，为管径，为测量的壁厚，为换能器收发 超声波路径与管道中心线之间的夹角。

优选的：管道内流体流速为：

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其中，为管道内流体流速，为超声波传播速度，为超声波顺流传播时间和逆流 传播时间的时间差，为两个换能传感器的安装距离。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1、自动计量校准，省去人员下井计量校准，相比传统靠人员手动操作的方式，该方法操作简便，自动化程度高，能够解放流量现场计量校准过程中的劳动力，提高计量校准效率；

2、同步测量数据，用物联网无线方式实现计量数据的同步采集，减少被检流量计和标准超声波流量计比对数据采集不同步带来的计量误差；采用伺服电机系统测量长度量，采用最小二乘法得到有效测量数据，计量结果较之手工方法更稳定、可靠。

附图说明

图1 超声波流量计时差法计量原理；

图2为本发明井下系统装置左视图；

图3为图2中的A-A剖视图；

图4为本发明井下系统装置俯视图，

图5为现场测试原理框图；

图6为本发明计量校准方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种流量计现场计量系统，如图1-4所示，包括抱臂顶端压块3、抱臂一4、换能传感器一5、换能传感器二6、清洁注胶装置7、传动丝杆8、导轨9、井下信号处理主机10、主架横梁11、抱臂二13、信息收发单元，其中：

所述主架横梁11上设置有两个横梁压块12，所述横梁压块12上设置有下压电机，通过下压电机与横梁压块12驱动连接，且所述横梁压块12分别位于抱臂一4、抱臂二13的外侧。所述抱臂一4、抱臂二13通过转轴转动安装在主架横梁11上，所述主架横梁11上设置有抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二，抱臂驱动电机一与抱臂一4驱动连接，抱臂时，抱臂驱动电机一启动，驱动抱臂一4绕转轴转动，驱动抱臂一4向内弯曲，抱紧在被测管道2上，所述抱臂驱动电机二与抱臂二13驱动连接，抱臂时，抱臂驱动电机二启动，驱动抱臂二13绕转轴转动，抱臂二13向内弯曲，抱紧在被测管道2上。所述抱臂一4的两个端头分别设置有第一伺服电机一1、第一伺服电机二，所述抱臂二13的两个端头分别设置有第二伺服电机一、第二伺服电机二。所述抱臂顶端压块3分别安装在第一伺服电机一1、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二的伸缩端。所述抱臂顶端压块3、横梁压块12内设置有测厚仪。需要侧厚时，通过第一伺服电机一1、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二将抱臂顶端压块3伸出，进而将测厚仪紧贴在被测管道2上。通过下压电机将横梁压块12下压，使得横梁压块12内的测厚仪紧贴在被测管道2上。

所述传动丝杆8、导轨9安装在主架横梁11上，所述换能传感器一5、换能传感器二6、清洁注胶装置7分别与导轨9滑动连接，所述换能传感器一5上设置有传动螺母一和螺母驱动电机一，所述传动螺母一通过轴承转动安装在换能传感器一5上，且所述传动螺母一与传动丝杆8螺纹传动连接，所述螺母驱动电机一与传动螺母一传动连接。通过螺母驱动电机一控制传动螺母一在传动丝杆8上的转动，进而控制换能传感器一5沿传动丝杆8移动。所述换能传感器二6上设置有传动螺母二和螺母驱动电机二，所述传动螺母二通过轴承转动安装在换能传感器二6上，且所述传动螺母二与传动丝杆8螺纹传动连接，所述螺母驱动电机二与传动螺母二传动连接。通过螺母驱动电机二控制传动螺母二在传动丝杆8上的转动，进而控制换能传感器二6沿传动丝杆8移动。所述清洁注胶装置7上设置有传动螺母三和螺母驱动电机三，所述传动螺母三通过轴承转动安装在清洁注胶装置7上，且所述传动螺母三与传动丝杆8螺纹传动连接，所述螺母驱动电机三与传动螺母三传动连接。通过螺母驱动电机三控制传动螺母三在传动丝杆8上的转动，进而控制清洁注胶装置7沿传动丝杆8移动。

所述清洁注胶装置7包括清扫机构和注胶机构，所述清扫机构包括铁毛刷、毛刷伸缩电机以及毛刷旋转电机，所述毛刷伸缩电机固定安装在清洁注胶装置7上，所述毛刷旋转电机安装在毛刷伸缩电机的伸缩端，所述铁毛刷安装在毛刷旋转电机的旋转输出端。通过清扫机构对被测管道2进行清扫，通过注胶机构在被测管道2上注胶。

所述井下信号处理主机10安装在主架横梁11上，且所述井下信号处理主机10分别与抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二、第一伺服电机一1、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二、换能传感器一5、换能传感器二6、清洁注胶装置7、螺母驱动电机一、螺母驱动电机二、螺母驱动电机三连接。

所述井下信号处理主机10通过信息收发单元接收信息和发送信息。所述信息收发单元包括无线通信模块。

本发明井上便携主机与井下系统装置通过无线通信模块进行实时通信，收发命令/数据，控制井下装置传感器的正确定位、安装、测试，同时也通过脉冲或其他通信方式与被校准流量计的数表进行实时通信，以达到标准装置与被校准装置计量数据比对的同步，在主机内根据现场同步比对的数据，自动生成校准报告。自动生成校准报告，降低人员制作报告的成本。

一种流量计现场计量方法，采用上述流量计现场计量系统，如图5和6所示，包括以下步骤：

步骤1，通过吊索将传动机架吊放置到被测管道2上。

步骤2，井上便携主机发送测试信号，井下信号处理主机10控制两个抱臂顶端伺服电机推动抱臂顶端压块3压紧被测管道2，同时控制横梁压块12以及抱臂顶端压块3内的测厚仪进行多点壁厚测试。

步骤3，井下信号处理主机10根据三个压块的坐标位置计算出被测管道直径，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离。

三点坐标最小二乘法测量管径，根据抱臂两顶端伺服电机压块以及横梁底部的压块构成的三点坐标进行被测管道直径测量，具体工程的实现采用最小二乘法来获取具体的测量关系曲线，用多种口径的管道试验获取两对称伺服电机位移进程的查表数据，再用最小二乘法获得管径对应伺服电机的位移进程的关系曲线，把该关系曲线方程写入程序，现场教准时根据伺服电机的位移进程直接获取管径，最小二乘插值法公式如下：

估计管径;

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其中，为管径，为对应管径的抱臂两顶端伺服电机压块位移进程。

多点测量壁厚求其平均值，测量点共6个（两对抱臂顶端4个+两抱臂位置横梁正下方2个），能够有效减小管壁不同点壁厚的差异性影响，有效降低壁厚测量误差：

n=6；

根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离：

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其中，水的正向流速为ν，为两个换能传感器的安装距离，为管径，为测量的壁 厚，为换能器收发超声波路径与管道中心线之间的夹角。

通过换能传感器一P1和换能传感器二P2交替发射和接收超声波，可测得超声波顺流传播时间和逆流传播时间的时间差：

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由于超声波传播速度c(约为340m/s)远远大于水流速ν，因此上式中 ν² 可以忽略不计。可得管道内流体流速为：

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其中，为管道内流体流速，为超声波传播速度，为超声波顺流传播时间和逆流 传播时间的时间差，为两个换能传感器的安装距离，，为超声波发送 接收路径长度,为换能传感器一P1的超声波发送到反射点的路径长度, 为换能传感 器二P2的超声波发送到反射点的路径长度。

步骤4，井下信号处理主机10根据两个换能传感器的安装距离，控制清洁注胶装置在两个换能传感器安装位置进行打磨清洁注胶，然后行驶至滑轨终端。

步骤5，井下信号处理主机10根据两个换能传感器的安装距离，驱动两个换能传感器到达安装位置，传感器顶端电机驱动换能传感器下压至定位位置，使换能传感器顶面与被测管外壁紧密贴合。

步骤6，井下信号处理主机10发送测量信号后，换能传感器发出超声波信号进行流量测量，同时信号处理主机与井上便携主机以及被校流量计数表无线通信，传送被测数据进行实时比对。

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其中，为管道内流体流量，为测量时间，为流速修正系数，在0.8到0.85之间， 为超声波传播速度，为管径，为两个换能传感器的安装距离，为超声波顺流传播时间和 逆流传播时间的时间差。

步骤7，根据比对数据自动生成校准报告。

本发明能够自适应现场口径200mm至口径500mm管道的自动测量，该范围的管道口径为现场常见的口径，该装置能够满足现场大部分场合的校准要求。采用物联网等方式对系统进行协动实现现场自动测量，数据的无线实时传输最大限度降低了现场因人眼读数时差带来的误差影响。在缓解人员下井作业的困难，解放劳动力的情况下，采用三点定位测管径、多点壁厚测平均值、伺服电机系统自动定位传感器的方式，准确度高，实现可靠，降低了人员用传统量具手工测量带来的误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于流量计现场计量系统的流量计现场计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过吊索将传动机架吊放置到被测管道（2）上；

步骤2，井上便携主机发送测试信号，井下信号处理主机（10）控制两个抱臂顶端伺服电机推动抱臂顶端压块（3）压紧被测管道（2），同时控制横梁压块（12）以及抱臂顶端压块（3）内的测厚仪进行多点壁厚测试；

步骤3，井下信号处理主机（10）根据三个压块的坐标位置计算出被测管道直径，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离；

根据三个压块的坐标位置计算出被测管道直径，并根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离的方法：

步骤31，通过多种口径的管道试验获取两对称伺服电机位移进程的查表数据；

步骤32，采用最小二乘法获得管径对应伺服电机的位移进程的关系曲线；

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其中，为管径，/>为对应管径的抱臂两顶端伺服电机压块位移进程;

步骤33，校准时根据伺服电机的位移进程直接获取管径；

步骤34，根据管道直径以及壁厚计算出两个换能传感器的安装距离；

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其中，为两个换能传感器的安装距离，/>为管径，/>为测量的壁厚，/>为换能器收发超声波路径与管道中心线之间的夹角；

步骤4，井下信号处理主机（10）根据两个换能传感器的安装距离，控制清洁注胶装置在两个换能传感器安装位置进行打磨清洁注胶，然后行驶至滑轨终端；

步骤5，井下信号处理主机（10）根据两个换能传感器的安装距离，驱动两个换能传感器到达安装位置，传感器顶端电机驱动换能传感器下压至定位位置，使换能传感器顶面与被测管外壁紧密贴合；

步骤6，井下信号处理主机（10）发送测量信号后，换能传感器发出超声波信号进行流量测量，同时信号处理主机与井上便携主机以及被校流量计数表无线通信，传送被测数据进行实时比对；

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其中，为管道内流体流量，/>为测量时间，/>为流速修正系数，/>为超声波传播速度，/>为管径，/>为两个换能传感器的安装距离，/>为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的时间差。

2.根据权利要求1所述流量计现场计量方法，其特征在于：管道内流体流速为：

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其中，为管道内流体流速，/>为超声波传播速度，/>为超声波顺流传播时间和逆流传播时间的时间差，/>为两个换能传感器的安装距离。

3.根据权利要求2所述流量计现场计量方法，其特征在于：流量计现场计量系统包括抱臂顶端压块（3）、抱臂一（4）、换能传感器一（5）、换能传感器二（6）、清洁注胶装置（7）、传动丝杆（8）、导轨（9）、井下信号处理主机（10）、主架横梁（11）、抱臂二（13），其中：

所述主架横梁（11）上设置有两个横梁压块（12），且所述横梁压块（12）分别位于抱臂一（4）、抱臂二（13）的外侧；所述抱臂一（4）、抱臂二（13）通过转轴转动安装在主架横梁（11）上，所述主架横梁（11）上设置有抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二，抱臂驱动电机一与抱臂一（4）驱动连接，所述抱臂驱动电机二与抱臂二（13）驱动连接；所述抱臂一（4）的两个端头分别设置有第一伺服电机一（1）、第一伺服电机二，所述抱臂二（13）的两个端头分别设置有第二伺服电机一、第二伺服电机二；所述抱臂顶端压块（3）分别安装在第一伺服电机一（1）、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二的伸缩端；所述抱臂顶端压块（3）、横梁压块（12）内设置有测厚仪；

所述传动丝杆（8）、导轨（9）安装在主架横梁（11）上，所述换能传感器一（5）、换能传感器二（6）、清洁注胶装置（7）分别与导轨（9）滑动连接，所述换能传感器一（5）上设置有传动螺母一和螺母驱动电机一，所述传动螺母一通过轴承转动安装在换能传感器一（5）上，且所述传动螺母一与传动丝杆（8）螺纹传动连接，所述螺母驱动电机一与传动螺母一传动连接；所述换能传感器二（6）上设置有传动螺母二和螺母驱动电机二，所述传动螺母二通过轴承转动安装在换能传感器二（6）上，且所述传动螺母二与传动丝杆（8）螺纹传动连接，所述螺母驱动电机二与传动螺母二传动连接；所述清洁注胶装置（7）上设置有传动螺母三和螺母驱动电机三，所述传动螺母三通过轴承转动安装在清洁注胶装置（7）上，且所述传动螺母三与传动丝杆（8）螺纹传动连接，所述螺母驱动电机三与传动螺母三传动连接；

所述井下信号处理主机（10）安装在主架横梁（11）上，且所述井下信号处理主机（10）分别与抱臂驱动电机一、抱臂驱动电机二、第一伺服电机一（1）、第一伺服电机二、第二伺服电机一、第二伺服电机二、换能传感器一（5）、换能传感器二（6）、清洁注胶装置（7）、螺母驱动电机一、螺母驱动电机二、螺母驱动电机三连接。

4.根据权利要求3所述流量计现场计量方法，其特征在于：包括信息收发单元，所述井下信号处理主机（10）通过信息收发单元接收信息和发送信息。

5.根据权利要求4所述流量计现场计量方法，其特征在于：所述清洁注胶装置（7）包括清扫机构和注胶机构，所述清扫机构包括铁毛刷、毛刷伸缩电机以及毛刷旋转电机，所述毛刷伸缩电机固定安装在清洁注胶装置（7）上，所述毛刷旋转电机安装在毛刷伸缩电机的伸缩端，所述铁毛刷安装在毛刷旋转电机的旋转输出端。