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行業(yè)新聞
帶GPRS通信的流量計(jì)診斷器的研制
發(fā)布日期：2018-07-16 11:28:34 來源： 作者： 瀏覽次數(shù)：
【導(dǎo)讀】：隨著中國天然氣行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，氣體流量計(jì)作為一種天然氣貿(mào)易的計(jì)量儀表，它的性能直接影響到貿(mào)易雙方的經(jīng)濟(jì)利益。本文簡述了一種提供更好的診斷技術(shù)和多樣性的診斷方法，從而降低流量計(jì)的運(yùn)行成本并提高可靠性。其中，通過壓損的大小來判斷流量計(jì)是否出現(xiàn)異常......
摘 要：隨著中國天然氣行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，氣體流量計(jì)作為一種天然氣貿(mào)易的計(jì)量儀表，它的性能直接影響到貿(mào)易雙方的經(jīng)濟(jì)利益。本文簡述了一種提供更好的診斷技術(shù)和多樣性的診斷方法，從而降低流量計(jì)的運(yùn)行成本并提高可靠性。其中，通過壓損的大小來判斷流量計(jì)是否出現(xiàn)異常。對于氣體渦輪流量計(jì)，通過檢測高低頻信號輸出情況也可以判斷渦輪葉片或減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是否已發(fā)生損壞。對于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)可檢測流體振動(dòng)信號受壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾的程度，從而判斷旋進(jìn)流量計(jì)是否適合用于其所處的使用場合。并且采用GPRS無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將測量的過程參數(shù)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)中心，組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）。
引言
流量計(jì)是用于測量管道中流體流量的儀表，應(yīng)用于工業(yè)過程控制環(huán)境中，指示被測流體流量和選定的時(shí)間間隔內(nèi)被測流體的總量 [1] 。流量計(jì)的在線運(yùn)行狀態(tài)一般是靠巡檢發(fā)現(xiàn)，通過流量計(jì)所檢測的流量值或總量與實(shí)際值相差的大小或在線運(yùn)行時(shí)發(fā)生的較為明顯的異常狀態(tài)來判斷其工作是否異常。
另外，維持一個(gè)適當(dāng)周期的校準(zhǔn)，是解決計(jì)量可靠性的一種方法，通常是把流量計(jì)拆離現(xiàn)場，送到法定計(jì)量檢測機(jī)構(gòu)，利用標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。還有一種公知方法是采用雙軌計(jì)量對比確認(rèn)，通過串聯(lián)一只經(jīng)校準(zhǔn)準(zhǔn)確的流量儀表對運(yùn)行中的流量計(jì)進(jìn)行故障確認(rèn)。這些公知方法或要拆卸儀表，采用外部流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用于診斷；或是增加一臺(tái)儀表，作為數(shù)據(jù)對比，以便確認(rèn)流量計(jì)的故障。這些方法增加了成本和復(fù)雜性，同時(shí)沒有實(shí)時(shí)提供流量計(jì)基本部件狀況的診斷。
近年來，天然氣計(jì)量已逐步向在線、實(shí)時(shí)、智能化靠近，同時(shí)依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化通訊、控制和管理，中國天然氣計(jì)量將向計(jì)量方式自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程化計(jì)量方式發(fā)展 [2] �；谏鲜鲈颍兄屏艘环N提供更好的診斷技術(shù)和多樣性的診斷方法且?guī)в蠫PRS無線遠(yuǎn)傳通信的流量計(jì)診斷器。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 診斷器系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由壓損檢測、鑒相電壓檢測、流量高低頻信號采集、通信部分組成。壓損檢測主要用于測量表前表后的壓損，檢測結(jié)果與當(dāng)前溫度、壓力、工況流量下壓損理論值進(jìn)行對比。鑒相電壓檢測通過檢測旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾的程度。流量高低頻信號采集主要是檢測渦輪表高頻信號輸出數(shù)量與低頻信號輸出數(shù)量的比值，判斷渦輪葉片或減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是否已發(fā)生損壞。通信部分主要是用在診斷器與上位機(jī)通訊傳輸給數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，診斷器與流量計(jì)通訊讀取流量計(jì)溫度、壓力、工況流量。由于裝置使用場所基本上是爆炸性氣體環(huán)境，所以裝置按照Exd IIBT4防爆等級要求設(shè)計(jì)，滿足防爆要求。
1.2 診斷器運(yùn)行原理介紹
對于同一臺(tái)流量計(jì)，在介質(zhì)壓力、工況流量、介質(zhì)類型固定后，其壓力損失是基本不變的。因此，在一定的環(huán)境下，可通過壓力損失的大小來判斷流量計(jì)是否出現(xiàn)異常，這些異常可能因渦輪流量計(jì)渦輪葉片損壞、軸承出現(xiàn)損壞或阻力增大問題、或渦輪機(jī)芯沾污嚴(yán)重等；旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的異�？赡苁峭ǖ雷枞�、旋渦發(fā)射體損壞等引起。對于氣體渦輪流量計(jì)，高頻信號來自渦輪葉片或主軸的發(fā)信盤，而低頻信號來自計(jì)數(shù)器組件的發(fā)信盤。因此，對于同一臺(tái)氣體渦輪流量計(jì)，每計(jì)量1個(gè)或若干個(gè)單位體積時(shí)，其高頻信號輸出數(shù)量與低頻信號輸出數(shù)量的比值為一固定常數(shù)。因此，通過該比值的判斷也可以判定渦輪葉片或減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是否已發(fā)生損壞。
對于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，現(xiàn)在一般采用在流量計(jì)殼體的流體振動(dòng)非常強(qiáng)處對稱安裝兩只壓電式傳感器。對于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體振動(dòng)信號未受壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾時(shí)，兩傳感器輸出為反向，鑒相后輸出為接近高電平的電壓值；當(dāng)僅有壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾而無流體振動(dòng)信號時(shí)，兩輸出為同相，鑒相后輸出為接近0V的電壓值。流體振動(dòng)信號越強(qiáng)，壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾信號越弱，說明流體信號受干擾程度低，鑒相器輸出電壓越高 [3] 。因此，可根據(jù)鑒相電路的輸出電壓高低，來判斷旋進(jìn)流量計(jì)的流體振動(dòng)信號受壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾的程度，從而判斷旋進(jìn)流量計(jì)是否適合用于其所處的使用場合。另外，診斷器還可讀取流量計(jì)相關(guān)的報(bào)警位并上傳。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 壓損檢測
每只診斷器里都會(huì)存儲(chǔ)各規(guī)格流量計(jì)在1.6MPa參考壓力、非常大工況流量、相對密度為0.6、介質(zhì)溫度為20℃時(shí)的參考壓損值ΔP0。因此，當(dāng)讀取了流量計(jì)實(shí)際工況條件的工況流量、壓力、溫度后，依據(jù)設(shè)定的介質(zhì)密度值，即可計(jì)算壓損的理論參考值。
壓損檢測就是讀取差壓變送器輸出的電壓信號，進(jìn)行放大，再通過修正儀計(jì)算出壓差，與理論參考值對比，作為流量計(jì)診斷結(jié)果之一。
2.2 通信部分
診斷器根據(jù)部件、功能和通信距離的不同主要采用兩種通信技術(shù)：與流量計(jì)通訊采用RS485，診斷器主板自帶升壓隔離電路，確保通訊的穩(wěn)定安全；與外部用戶設(shè)備聯(lián)接短矩離采用RS485，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS通信。由于傳統(tǒng)的有線傳輸很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)通信，特別是在有防爆要求的場所需要做相應(yīng)的防爆處理導(dǎo)致成本比較大。本論文中采用的GPRS模塊為Motorola G24通信模塊，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE工業(yè)級模塊，可適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，以先進(jìn)的技術(shù)，穩(wěn)定的性能實(shí)現(xiàn)了M2M的高速無縫連接，采用微功耗設(shè)計(jì)，休眠電流<10mA，電源可外控，關(guān)斷后電流<2μA，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議線，支持JAVA加速和方便了開發(fā)過程 [4] 。
2.3 鑒相電壓檢測
圖4為鑒相電壓檢測原理框圖，通過兩個(gè)壓電式傳感器采集旋進(jìn)旋渦流量計(jì)壓力波動(dòng)，經(jīng)過前置放大器的差壓放大，輸出流量信號和鑒相電壓值，診斷器通過單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換，讀取鑒相電壓值，AD轉(zhuǎn)換采用的是Msp430f5438A自帶的12位AD，精度可以達(dá)到1mV。
2.4 流量高低頻信號采集
渦輪流量計(jì)的診斷，是通過采集機(jī)械計(jì)數(shù)器信號和葉輪信號，進(jìn)行對比。圖5所示為流量高低頻信號采集原理框圖，低頻信號通過低頻流量傳感器采集機(jī)械計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)信號，反饋給修正儀計(jì)量。高頻脈沖信號采集是通過NAMUR信號傳感器采樣葉輪信號，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路，將NAMUR信號轉(zhuǎn)換為電平脈沖信號計(jì)量。主板內(nèi)自帶升壓電路，可選擇性將內(nèi)電3.6V電壓升壓到8V，為傳感器提供合適的工作電壓。
3 軟件總體設(shè)計(jì)
診斷器采用的是超低功耗的MSP430單片機(jī)，在休眠狀態(tài)下，診斷器工作電流在100uA以下，正常工作情況下，24A*h鋰電池可保證診斷器工作5年。圖6為程序總體框架，主程序平時(shí)處于休眠或待機(jī)模式，當(dāng)有外部按鍵中斷，流量信號采集中斷和串口通訊中斷時(shí)程序做出響應(yīng)。程序通過壓損計(jì)算，鑒相電壓檢測，高低頻信號檢測來實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的診斷。
3.1 利用鑒相電壓值判斷流程（僅針對旋進(jìn)流量計(jì)）
圖7為鑒相電壓檢測程序流程圖，當(dāng)檢測的流量計(jì)為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)時(shí)，鑒相電壓AD檢測通道打開，定時(shí)采樣其AD電壓信號，修正儀對檢測結(jié)果連續(xù)讀取16次取平均值，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，輸出診斷結(jié)果，多次采樣，提高采樣結(jié)果的可靠性。
3.2 用壓損診斷流程（單通道）
圖8為壓損診斷流程，通過485讀取流量計(jì)溫度壓力工況流量信息，計(jì)算壓損理論值。再讀取差壓傳感器壓力信號，計(jì)算壓損實(shí)際值，比較壓損理論值和實(shí)際值，輸出診斷結(jié)果。
3.3 利用HF/LF值為常數(shù)的判斷流程（僅針對渦輪流量計(jì)）
圖9為高低頻信號檢測程序流程圖，當(dāng)檢測到低頻信號時(shí)，會(huì)進(jìn)入中斷，啟動(dòng)高頻信號檢測計(jì)數(shù)，低頻間隔結(jié)束，計(jì)算高頻計(jì)數(shù)結(jié)果，得到HF/LF值。對比修正儀中設(shè)定的理論常數(shù)，輸出診斷結(jié)果。
3.4 綜合診斷流程
先判斷HF/LF=常數(shù)或鑒相電壓≥閾值電壓→讀取流量計(jì)數(shù)據(jù)和測量差壓，計(jì)算壓力損失→輸出診斷信息。
4 試驗(yàn)與分析
本文以旋進(jìn)旋渦流量計(jì)（型號規(guī)格：TDS-80B流量范圍：28m 3 /h～400m 3 /h）與氣體渦輪流量計(jì)（型號規(guī)格：TBQZ-150B流量范圍：50m 3 /h～1000m 3 /h）作為測試目標(biāo)，在用氣頻繁的場所使用，驗(yàn)證診斷器的可行性。表1、表2為診斷器在某化工廠使用過程中的數(shù)據(jù)記錄。記錄流量計(jì)在一段時(shí)間內(nèi)的輸差情況，以及診斷維護(hù)情況。在6月1日的時(shí)候，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作流量明顯變大，診斷器診斷結(jié)果鑒相電壓過小，抗干擾能力不夠?qū)е铝髁坑?jì)出現(xiàn)自走現(xiàn)象，當(dāng)天及時(shí)維護(hù)，后期流量計(jì)工作恢復(fù)正常。在8月6日的時(shí)候，氣體渦輪流量計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差偏大的現(xiàn)象，診斷器診斷結(jié)果渦輪表高低頻信號比設(shè)置值小，檢查發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)軸承損壞導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)，及時(shí)維護(hù)，避免偏差。
5 結(jié)束語
為方便用戶監(jiān)測現(xiàn)場氣體流量計(jì)工作是否異常，本文設(shè)計(jì)了一種帶GPRS無線遠(yuǎn)傳通信功能的診斷器。渦輪流量計(jì)可能在渦輪葉片、軸承、渦輪機(jī)芯出現(xiàn)故障，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)可能出現(xiàn)通道阻塞、旋渦發(fā)射體損壞，這些問題會(huì)引起流量計(jì)量偏差，短時(shí)間內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)。本論文中設(shè)計(jì)的診斷器通過對壓損的檢測，渦輪表高低頻信號檢測以及鑒相電壓的檢測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該類問題，并通過GPRS無線遠(yuǎn)傳傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)，用戶非常好時(shí)間就能得到流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)信息。從現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)分析，長時(shí)間的運(yùn)行，通過診斷器時(shí)時(shí)診斷，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)流量計(jì)計(jì)量偏差，提前進(jìn)行維護(hù)，可以大大減少因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而造成的輸差。
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