帶GPRS通信的流量計(jì)診斷器的研制

隨著中國(guó)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?jī)x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(jiǎn)述了一種提供更好的診斷技術(shù)和多樣性的診斷方法，上海上儀股份公司從而降低流量計(jì)的運(yùn)行成本并提高可靠性。其中，通過壓損的大小來(lái)判斷流量計(jì)是否出現(xiàn)異常。對(duì)于氣體渦輪流量計(jì)，通過檢測(cè)高低頻信號(hào)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(duì)于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)可檢測(cè)流體振動(dòng)信號(hào)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(chǎng)合。并且采用GPRS無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將測(cè)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(cè)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(cè)流體流量和選定的時(shí)間間隔內(nèi)被測(cè)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(cè)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(lái)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(chǎng)，送到法定計(jì)量檢測(cè)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(duì)比確認(rèn)，通過串聯(lián)一只經(jīng)校準(zhǔn)準(zhǔn)確的流量?jī)x表對(duì)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(duì)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(lái)，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(guó)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(wú)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(cè)、鑒相電壓檢測(cè)、流量高低頻信號(hào)采集、通信部分組成。壓損檢測(cè)主要用于測(cè)量表前表后的壓損，檢測(cè)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(duì)比。鑒相電壓檢測(cè)通過檢測(cè)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(hào)采集主要是檢測(cè)渦輪表高頻信號(hào)輸出數(shù)量與低頻信號(hào)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(chǎng)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(jí)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(duì)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(lái)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)的異常可能是通道阻塞、旋渦發(fā)射體損壞等引起。對(duì)于氣體渦輪流量計(jì)，高頻信號(hào)來(lái)自渦輪葉片或主軸的發(fā)信盤，而低頻信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)器組件的發(fā)信盤。因此，對(duì)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(hào)輸出數(shù)量與低頻信號(hào)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(duì)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(duì)稱安裝兩只壓電式傳感器。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體振動(dòng)信號(hào)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(wú)流體振動(dòng)信號(hào)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(hào)越強(qiáng)，壓力波動(dòng)或機(jī)械振動(dòng)干擾信號(hào)越弱，說(shuō)明流體信號(hào)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(lái)判斷旋進(jìn)流量計(jì)的流體振動(dòng)信號(hào)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(chǎng)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(cè)

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?jí)毫Α⒎浅４蠊r流量、相對(duì)密度為0.6、介質(zhì)溫度為20℃時(shí)的參考?jí)簱p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(cè)就是讀取差壓變送器輸出的電壓信號(hào)，進(jìn)行放大，再通過修正儀計(jì)算出壓差，與理論參考值對(duì)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(chǎng)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(jí)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(wú)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。

結(jié)束語(yǔ)

為方便用戶監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)氣體流量計(jì)工作是否異常，本文設(shè)計(jì)了一種帶GPRS無(wú)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(duì)壓損的檢測(cè)，渦輪表高低頻信號(hào)檢測(cè)以及鑒相電壓的檢測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該類問題，并通過GPRS無(wú)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。上海上儀股份公司從現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)分析，長(zhǎng)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。