CN107218984B - 天然气涡轮流量计在线诊断***及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种天然气涡轮流量计在线诊断***，包括涡轮流量计、流量计算机、涡轮流量计检测工具和检测计算机；所述涡轮流量计分别连接所述流量计算机和所述涡轮流量计检测工具，所述涡轮流量计检测工具连接所述检测计算机；所述涡轮流量计检测工具包括通讯模块、UPS供电模块以及依次电性连接的脉冲采集单元、信号放大单元和高精度时间测量模块；所述通讯模块、所述脉冲采集单元、所述信号放大单元和所述高精度时间测量模块分别电性连接所述UPS供电模块。本发明检测时无需将流量计从计量设施中拆除，具有便携、降低成本、提高精度的优点。
Description
技术领域
本发明属于流量仪表技术领域，具体涉及一种天然气涡轮流量计在线诊断***及其方法。
背景技术
现代工业中，计量起到不可或缺的作用，而流量计量是计量科学技术的组成部分之一，其与日益发展的国民经济、国防建设、科学研究等有密切的联系。简单来说流量计是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表。而在众多流量计种类中，有涡轮流量计，其是采用先进的超低功耗单片微机技术研制的涡轮流量传感器与显示积算一体化的新型智能仪表，具有机构紧凑、读数直观清晰、可靠性高、不受外界电源干扰、抗雷击、成本低等明显优点。
目前，随着天然气遍布工业生产以及日常生活的方方面面，人们对天然气的检测也提出了更高的要求，在天然气流量检测领域中，现有流量计检测技术需要将流量计从计量设施中拆除，影响用户正常使用，且检测周期长，费用高。涡轮流量计属于机械原理计量设备，随着运行时间推移性能下降。而由于天然气检测周期使然，大多数情况下还未到检测期时，涡轮流量计就损坏或失效了，给用户带来极大不便。
专利涡轮流量计检测装置，申请号(CN200910097534.X)，在壳体内设置整流器、叶轮组件，磁敏传感器和故障传感器固定在壳体中，并与流量积算仪相连接。所述的磁敏传感器、故障传感器、整流器、叶轮组件设置于一个壳体中与流量积算仪组合成整体型。故障传感器检测到的故障信号和磁敏传感器检测到的流量信号分别显示在流量积算仪的显示屏上；故障传感器和故障传感器安装位置与顺序可根据壳体口径的不同而调节。根据叶轮的旋转角速度与流体流速的比例成一定的可视关系，解决了流量计的误计量极小的技术问题。但该装置虽解决叶轮旋转角速度与流体流速的可视关系，但分析的数据维度有限，方式单一，不便携，且数据采集精准度有待提高。
因此急需要一种多维度采集数据的、检测结果精确度高的、装置便携的、成本低的天然气涡轮流量计在线诊断***及其方法。
发明内容
本发明的目的是，提供一种天然气涡轮流量计在线诊断***及其方法，以解决现有技术采集数据维度窄、分析不全面、效率低、准确性不高、不够便携的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种天然气涡轮流量计在线诊断***，包括涡轮流量计、流量计算机、涡轮流量计检测工具和检测计算机；所述涡轮流量计分别连接所述流量计算机和所述涡轮流量计检测工具，所述涡轮流量计检测工具连接所述检测计算机；所述涡轮流量计检测工具包括通讯模块、UPS供电模块以及依次电性连接的脉冲采集单元、信号放大单元和高精度时间测量模块；所述通讯模块、所述脉冲采集单元、所述信号放大单元和所述高精度时间测量模块分别电性连接所述UPS供电模块。
优选的，所述涡轮流量计包括涡轮叶片和高频发生器，所述涡轮叶片设于所述涡轮流量计内部，所述高频发生器固定于所述涡轮流量计侧面，且所述高频发生器连接有一传感器，所述传感器朝向所述涡轮叶片设置，便于采集涡轮叶片的运动状态信息。
优选的，所述传感器连接所述脉冲采集单元，便于脉冲采集单元将高频信号发生器中的传感器信号放大后输出，以提升检测效果。
优选的，所述脉冲采集单元包括脉冲隔离整形单元，所述脉冲隔离整形单元连接所述信号放大单元，更有利于将传感器传输的微弱电流信号转换为放大后的电压信号。
优选的，所述涡轮流量计检测工具包括一便携式手提箱，所述便携式手提箱包括互相铰接的箱体和箱盖，所述通讯模块固定在所述箱盖上，所述脉冲采集单元、所述信号放大单元、所述高精度时间测量模块和所述UPS供电模块固定在所述箱体内，所述便携式手提箱侧面还连通有一通孔，所述通孔内设有与所述通孔匹配的格兰头，便于对输出连接线的固定，整体结构紧凑，稳定性强。
优选的，所述UPS供电模块采用24V DC UPS，确保整个诊断过程不受信号干扰。
优选的，所述涡轮流量计还包括进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别连通有天然气管道，靠近所述出气口一侧的所述天然气管道上还连通有一气流排放口，便于在涡轮流量计两端阀门关闭的情况下，通过放出天然气驱动涡轮流量计叶轮旋转，产生脉冲，便于诊断。
一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，包括如下步骤：S1:频率采集，将涡轮叶片经过高频发生器内传感器时产生的电流脉冲放大为电压脉冲，通过高精度时间测量模块将该信号提供给检测计算机；S2:数据处理，所述检测计算机将S1中采集到的所述电压脉冲进行处理，生成相应曲线图像；S3:分析诊断，采用比较法，比较S2中不同时间点采集的曲线图像的变化情况。
优选的，所述S2中包括如下处理方法：叶轮检测，实时获取频率信号，生成涡轮叶片的运行情况曲线，分析曲线的离散情况得出涡轮叶片的健康情况以及涡轮叶片的动平衡状态；误差漂移分析，实时获取频率信号，生成误差漂移曲线，比较实际曲线与理论曲线的差值，获取误差漂移情况；轴承状态测试，针对不同流量，采集涡轮流量计的涡轮叶片运行特征曲线，观察曲线的脉动及形状，获取轴承的状态；实时误差分析，实时获取频率信号，生成误差曲线，比较实际曲线与理论曲线的差异，得出涡轮流量计整体的实时运行状态。
优选的，所述叶轮检测基于相同流量条件；所述误差漂移分析基于涡轮流量计受摩擦力以及动平衡影响量大的小流量条件；所述轴承状态测试和所述实时误差分析均基于相同时间条件，有利于提升所采集数据的参考价值。
本发明的有益效果是：
1、采用便携式手提箱，将硬件***部分纳入，整体结构紧凑稳固，且便于携带和使用；
2、采用脉冲隔离整形单元配合信号放大单元，有利于提升信号传输的准确性；
3、利用比较法诊断，可操作性更强；
4、结合叶轮检测、误差漂移分析、轴承状态测试以及实时误差分析，有利于对涡轮流量计的叶轮、高频发生器、轴承以及润滑***进行在线分析和诊断，全面掌握涡轮流量计的运行状态，便于及时维修和护理。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明***框图；
图2是便携式手提箱立体示意图；
图3是叶轮检测分析结果波形图；
图4是叶轮检测3D分析频谱图；
图5是正常情况的叶轮检测分析结果波形图；
图6是误差漂移分析结果波形图；
图7是轴承状态测试分析结果频谱图；
图8是实时误差分析结果波形图；
图9是流量测试数据折线图。
其中：1.涡轮流量计，2.涡轮叶片，3.高频发生器，4.传感器，5.天然气管道，6.气流排放口，7.箱盖，8.箱体，9.通孔，10.流量计算机，11.涡轮流量计检测工具，12.通讯模块，13.脉冲采集单元，14.脉冲隔离整形单元，15.信号放大单元，16.高精度时间测量模块，17.UPS供电模块，18.检测计算机。
具体实施方式
一种天然气涡轮流量计在线诊断***，包括涡轮流量计1、流量计算机10、涡轮流量计检测工具11和检测计算机18；涡轮流量计1分别连接流量计算机10和涡轮流量计检测工具11，涡轮流量计检测工具11连接检测计算机18；涡轮流量计检测工具11包括通讯模块12、UPS供电模块17以及依次电性连接的脉冲采集单元13、信号放大单元15和高精度时间测量模块16；通讯模块12、脉冲采集单元13、信号放大单元15和高精度时间测量模块16分别电性连接UPS供电模块17。
涡轮流量计1包括涡轮叶片2和高频发生器3，涡轮叶片2设于涡轮流量计1内部，高频发生器3固定于涡轮流量计1侧面，且高频发生器3连接有一传感器4，传感器4朝向涡轮叶片2设置，便于采集涡轮叶片2的运动状态信息。传感器4连接脉冲采集单元13，便于脉冲采集单元13将高频信号发生器3中的传感器4信号放大后输出，以提升检测效果。脉冲采集单元13包括脉冲隔离整形单元14，脉冲隔离整形单元14连接信号放大单元15，更有利于将传感器4传输的微弱电流信号转换为放大后的电压信号。涡轮流量计检测工具11包括一便携式手提箱，便携式手提箱包括互相铰接的箱体8和箱盖7，通讯模块12固定在箱盖7上，脉冲采集单元13、信号放大单元15、高精度时间测量模块16和UPS供电模块17固定在箱体8内，便携式手提箱侧面还连通有一通孔9，通孔9内设有与通孔9匹配的格兰头，便于对输出连接线的固定，整体结构紧凑，稳定性强。UPS供电模块17采用24V DC UPS，确保整个诊断过程不受信号干扰。涡轮流量计1还包括进气口和出气口，进气口和出气口分别连通有天然气管道5，靠近出气口一侧的天然气管道5上还连通有一气流排放口6，便于在涡轮流量计1两端阀门关闭的情况下，通过放出天然气驱动涡轮叶片2旋转，产生脉冲，便于诊断。
一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，包括如下步骤：S1:频率采集，将涡轮叶片2经过高频发生器3内传感器4时产生的电流脉冲放大为电压脉冲，通过高精度时间测量模块16将该信号提供给检测计算机18；S2:数据处理，检测计算机18将S1中采集到的电压脉冲进行处理，生成相应曲线图像；S3:分析诊断，采用比较法，比较S2中不同时间点采集的曲线图像的变化情况。
S2中包括如下处理方法：叶轮检测，实时获取频率信号，生成涡轮叶片2的运行情况曲线，分析曲线的离散情况得出涡轮叶片2的健康情况以及涡轮叶片2的动平衡状态；误差漂移分析，实时获取频率信号，生成误差漂移曲线，比较实际曲线与理论曲线的差值，获取误差漂移情况；轴承状态测试，针对不同流量，采集涡轮流量计的涡轮叶片2运行特征曲线，观察曲线的脉动及形状，获取轴承的状态；实时误差分析，实时获取频率信号，生成误差曲线，比较实际曲线与理论曲线的差异，得出涡轮流量计1整体的实时运行状态。叶轮检测基于相同流量条件；误差漂移分析基于涡轮流量计受摩擦力以及动平衡影响量大的小流量条件；轴承状态测试和实时误差分析均基于相同时间条件，有利于提升所采集数据的参考价值。
具体的，实际操作中，选择涡轮流量计1，在接通UPS供电模块17的情况下，传感器4检测到涡轮叶片2的转动参数，通过高频发生器3传输至涡轮流量计检测工具11中的脉冲采集单元13，脉冲采集单元13中的脉冲隔离整形单元14对该信号进行隔离整形，再经信号放大单元15放大，将该信号通过高精度时间测量模块16经由通孔9输出，外接检测计算机18，以实时检测观察天然气涡轮流量计1的运行状态，且涡轮流量计检测工具11为一便携式手提箱，其箱盖7上的通讯模块12可通过网络连接上位计算机，以进一步保障***检测的后台稳定性和整体可靠性。
在刚投入使用时对该涡轮流量计进行第一次检测，运行6个月后进行第二次检测，并且分别在最小流量、20％最大流量、40％最大流量以及最大流量的条件下测试，得出数据进行对比，以综合得出运行后6个月涡轮流量计的流量下滑情况，具体测试数据见表1。
| 分类 | Qmin | 20％Qmax | 40％Qmax | Qmax |
| 第一次检测 | 0.73 | 0.68 | 0.79 | 0.94 |
| 运行6个月后 | -0.44 | 0.25 | 0.55 | 0.57 |
| 运行后下滑 | 1.17 | 0.43 | 0.24 | 0.37 |
表1
如图9所示，图9是通过表1数据得出的折线图，判断法为比较法，更直观的体现出天然气涡轮流量计随着时间推移，流量下滑的趋势，从而诊断流量计性能变化情况。通过该组测试数据可得，天然气涡轮流量计在使用6个月后，其性能平均下降55％，最大性能下降117％，对于年用气量107Nm3的用户，核算后双方存在5.5×104Nm3的流量差，会造成巨大的经济损失。因此采用本发明，意在尽快发现天然气涡轮流量计的流量变化，抑制或阻止该现象的发生。
在天然气涡轮流量计在线诊断方法中，“叶轮检测”、“误差漂移分析”、“轴承状态测试”、“实时误差分析”是指用同一组测量数据进行不同的数学处理得到不同方向的分析结果，以下阐述详细分析过程：
叶轮检测是在气体涡轮流量计流量相对稳定的情况下，通过分析实时获取的频率信号，得到涡轮流量计每个叶轮的运行情况，通过精细分析后的曲线，可以清晰的反应涡轮流量计叶轮中每一片叶片的健康情况，以及叶轮的动平衡状态。如图3的波形和图4的3D分析结果所示，其涡轮叶片的转动频率显示出明显的离散，说明涡轮叶轮或涡轮的轴发生了异常，即需要及时进行维护和修理。
经过维修护理后，再次测试涡轮叶片的动态数据，得出以上波形图，显示出很高的转动一致性，表明涡轮叶片运动状态正常。
误差漂移分析主要分析了涡轮流量计在受到摩擦力和动平衡影响量较大的小流量条件下误差的漂移情况，如图6所示，上方的曲线为理论曲线，下方的曲线为理论曲线，理论曲线与实际曲线越接近说明流量计性能越好。
轴承状态测试，是在相同时间范围内，针对不同流量，采集涡轮流量计的特征曲线，观察曲线的脉动及形状，获取轴承的状态，如图7所示的三维频谱中，不同流量下涡轮的特征曲线可以非常明显的看见，通常在20％Qmax左右，随着流量上升而逐步消失；安装和结构脉动曲线为倾斜弧状的过渡曲线，通常伴随着管道内的较大的脉动；传动方面的特征为比较明显的脉冲式图形，表明叶轮轴承或者轴存在问题。
实时误差分析通过分析不同时间点上涡轮流量计的截断流量积分值，如图8所示，尤其是理论值、首次安装测试值和使用一段时间后的测试值之间的比较，可以清晰的反映出涡轮流量计的误差漂移情况。图8中，上方的曲线代表理想曲线，下方的曲线是天然气涡轮流量计受到摩擦力影响较大时的实际流量曲线，此时观察实际流量曲线与理想曲线之间的差值是否大于预设合理差值，若超出，则表明需要维护修理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，包括天然气涡轮流量计在线诊断***，所述天然气涡轮流量计在线诊断***包括涡轮流量计、流量计算机、涡轮流量计检测工具和检测计算机；所述涡轮流量计分别连接所述流量计算机和所述涡轮流量计检测工具，所述涡轮流量计检测工具连接所述检测计算机；所述涡轮流量计检测工具包括通讯模块、UPS供电模块以及依次电性连接的脉冲采集单元、信号放大单元和高精度时间测量模块；所述通讯模块、所述脉冲采集单元、所述信号放大单元和所述高精度时间测量模块分别电性连接所述UPS供电模块；其特征在于，包括如下步骤：
S1:频率采集，将涡轮叶片经过高频发生器内传感器时产生的电流脉冲放大为电压脉冲，通过高精度时间测量模块将该电压脉冲信号提供给检测计算机；
S2:数据处理，所述检测计算机将S1中采集到的所述电压脉冲进行处理，生成相应曲线图像；
S3:分析诊断，采用比较法，比较S2中不同时间点采集的曲线图像的变化情况；
所述S2中包括如下处理方法：
叶轮检测，实时获取频率信号，生成涡轮叶片的运行情况曲线，分析曲线的离散情况得出涡轮叶片的健康情况以及涡轮叶片的动平衡状态；
误差漂移分析，实时获取频率信号，生成误差漂移曲线，比较实际曲线与理论曲线的差值，获取误差漂移情况；
轴承状态测试，针对不同流量，采集涡轮流量计的涡轮叶片运行特征曲线，观察曲线的脉动及形状，获取轴承的状态；
实时误差分析，实时获取频率信号，生成误差曲线，比较实际曲线与理论曲线的差异，得出涡轮流量计整体的实时运行状态；
所述叶轮检测基于相同流量条件；所述误差漂移分析基于涡轮流量计受摩擦力以及动平衡影响量大的小流量条件；所述轴承状态测试和所述实时误差分析均基于相同时间条件。
2.根据权利要求1所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述涡轮流量计包括涡轮叶片和高频发生器，所述涡轮叶片设于所述涡轮流量计内部，所述高频发生器固定于所述涡轮流量计侧面，且所述高频发生器连接有一传感器，所述传感器朝向所述涡轮叶片设置。
3.根据权利要求2所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述传感器连接所述脉冲采集单元。
4.根据权利要求1或3所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述脉冲采集单元包括脉冲隔离整形单元，所述脉冲隔离整形单元连接所述信号放大单元。
5.根据权利要求1所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述涡轮流量计检测工具包括一便携式手提箱，所述便携式手提箱包括互相铰接的箱体和箱盖，所述通讯模块固定在所述箱盖上，所述脉冲采集单元、所述信号放大单元、所述高精度时间测量模块和所述UPS供电模块固定在所述箱体内，所述便携式手提箱侧面还连通有一通孔，所述通孔内设有与所述通孔匹配的格兰头。
6.根据权利要求1所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述UPS供电模块采用24V DC UPS。
7.根据权利要求1所述的一种天然气涡轮流量计在线诊断方法，其特征在于，所述涡轮流量计还包括进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别连通有天然气管道，靠近所述出气口一侧的所述天然气管道上还连通有一气流排放口。
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