帶GPRS通信的流量計診斷器的研制

隨著中國天然氣行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，氣體流量計作為一種天然氣貿(mào)易的計量儀表，它的性能直接影響到貿(mào)易雙方的經(jīng)濟利益。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，上海上儀股份公司從而降低流量計的運行成本并提高可靠性。其中，通過壓損的大小來判斷流量計是否出現(xiàn)異常。對于氣體渦輪流量計，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構(gòu)的傳動比是否已發(fā)生損壞。對于旋進(jìn)旋渦流量計可檢測流體振動信號受壓力波動或機械振動干擾的程度，從而判斷旋進(jìn)流量計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間間隔內(nèi)被測流體的總量 [1] 。流量計的在線運行狀態(tài)一般是靠巡檢發(fā)現(xiàn)，通過流量計所檢測的流量值或總量與實際值相差的大小或在線運行時發(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，維持一個適當(dāng)周期的校準(zhǔn)，是解決計量可靠性的一種方法，通常是把流量計拆離現(xiàn)場，送到法定計量檢測機構(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)確的流量儀表對運行中的流量計進(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；或是增加一臺儀表，作為數(shù)據(jù)對比，以便確認(rèn)流量計的故障。這些方法增加了成本和復(fù)雜性，同時沒有實時提供流量計基本部件狀況的診斷。

近年來，天然氣計量已逐步向在線、實時、智能化靠近，同時依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程化通訊、控制和管理，中國天然氣計量將向計量方式自動化、智能化、遠(yuǎn)程化計量方式發(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)傳通信的流量計診斷器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)旋渦流量計的壓力波動或機械振動干擾的程度。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構(gòu)的傳動比是否已發(fā)生損壞。通信部分主要是用在診斷器與上位機通訊傳輸給數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，診斷器與流量計通訊讀取流量計溫度、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，滿足防爆要求。

1.2 診斷器運行原理介紹

對于同一臺流量計，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是否出現(xiàn)異常，這些異?？赡芤驕u輪流量計渦輪葉片損壞、軸承出現(xiàn)損壞或阻力增大問題、或渦輪機芯沾污嚴(yán)重等；旋進(jìn)旋渦流量計的異?？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，高頻信號來自渦輪葉片或主軸的發(fā)信盤，而低頻信號來自計數(shù)器組件的發(fā)信盤。因此，對于同一臺氣體渦輪流量計，每計量1個或若干個單位體積時，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構(gòu)的傳動比是否已發(fā)生損壞。

對于旋進(jìn)旋渦流量計，現(xiàn)在一般采用在流量計殼體的流體振動非常強處對稱安裝兩只壓電式傳感器。對于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體振動信號未受壓力波動或機械振動干擾時，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)僅有壓力波動或機械振動干擾而無流體振動信號時，兩輸出為同相，鑒相后輸出為接近0V的電壓值。流體振動信號越強，壓力波動或機械振動干擾信號越弱，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)流量計的流體振動信號受壓力波動或機械振動干擾的程度，從而判斷旋進(jìn)流量計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相關(guān)的報警位并上傳。

2 硬件設(shè)計

2.1 壓損檢測

每只診斷器里都會存儲各規(guī)格流量計在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℃時的參考壓損值ΔP0。因此，當(dāng)讀取了流量計實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，再通過修正儀計算出壓差，與理論參考值對比，作為流量計診斷結(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)定的性能實現(xiàn)了M2M的高速無縫連接，采用微功耗設(shè)計，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

為方便用戶監(jiān)測現(xiàn)場氣體流量計工作是否異常，本文設(shè)計了一種帶GPRS無線遠(yuǎn)傳通信功能的診斷器。渦輪流量計可能在渦輪葉片、軸承、渦輪機芯出現(xiàn)故障，旋進(jìn)旋渦流量計可能出現(xiàn)通道阻塞、旋渦發(fā)射體損壞，這些問題會引起流量計量偏差，短時間內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)。本論文中設(shè)計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)，用戶非常好時間就能得到流量計運行狀態(tài)信息。上海上儀股份公司從現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)分析，長時間的運行，通過診斷器時時診斷，能及時發(fā)現(xiàn)流量計計量偏差，提前進(jìn)行維護，可以大大減少因未及時發(fā)現(xiàn)故障而造成的輸差。