CN113108879A - 用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计及校准方法 - Google Patents

用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计及校准方法 Download PDF

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CN113108879A CN202110473742.6A CN202110473742A CN113108879A CN 113108879 A CN113108879 A CN 113108879A CN 202110473742 A CN202110473742 A CN 202110473742A CN 113108879 A CN113108879 A CN 113108879A
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Abstract

一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，包括远程校准流量传感器、流量积算仪、中央处理器、温度变送器和信号转换器。远程校准流量传感器两侧分别设有压力变送器一和压力变送器二，压力变送器一的一侧设有温度变送器。压力变送器一、压力变送器二和温度变送器与流量积算仪相连。流量积算仪与信号转换器相连。远程校准流量传感器两侧分别设有上游图像采集器和下游图像采集器。上游图像采集器、下游图像采集器和信号转换器与中央处理器相连。本发明利用标准孔板流量计建立几何尺寸d和D与流量之间的函数关系式，通过图像识别不拆卸的情况下校准标准孔板流量计的流出系数C和可膨胀修正系数ε误差，实现安全、经济的流量的远程在线校准。

Description

用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计及校准方法
技术领域
本发明属于气体流量在线远程校准测试技术领域，具体涉及一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计。
背景技术
工业过程中测量圆形封闭管道内的气体流量需要使用流量计，为保证流体流量量值的准确可靠，需要定期校准安装在管道的流量计。现阶段，校准气体流量计大多需要拆下送检。一些大管径流量计，质量大安装高度高，拆卸并在校准后安装的成本高。另外，拆卸送检意味着停工，对于钢厂和电厂等企业，停工意味着巨大的损失。
现阶段，对于圆形封闭管道气体流量测量在线校准的办法有如下几种模式：
1)利用***式流量计比对法。对被校准流量计管道上带压打孔并焊接球阀，安装***式流量计作为标准流量计，比对同一时刻标准流量计和被校准流量计流量值进行校准。对于管道煤气等有毒、易燃易爆气体，这种方法十分危险，并且需要专业人员动火操作，不适合周期性校准。
2)射流速度积分法。被校准流量计附件管道安装透明射流管道，使用激光多普勒原理测量射流流体的流速，通过流速在射流截面上积分可以得该工况下的标准流量，通过比对法校准被测流量计。该种方法一来要求气体中含有失踪粒子，同时改造透明管道难度大，激光多普勒设备需要平稳的光学平台，在现场进行安装难以实现。
3)小孔出流流体流线计算法。利用图像识别法计算小孔出流流体流线的水头高度和射流距离，代入流体力学计算公式计算射流流量。该方法适合液体的开放式射流流场的流量计算，不适合用于圆形封闭管道。
工业过程封闭管道气体流量测量最常用的流量传感器是标准孔板流量计。孔板流量计属于差压式流量计原理，当流体通过孔板的时候，由于过流面积减小，流体加速，孔板的上下游产生差压，根据流量与差压的关系得出流量的值。在孔板G、H、I三个锐边无明显缺口的情况下，测量出来的流量值比较准确，但是在孔板的三个锐变有缺口的情况下测量出来的流量值就不准确了，不能及时的发现问题和修正。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其技术方案如下：
一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，包括远程校准流量传感器、流量积算仪、中央处理器、温度变送器、上游图像采集器、下游图像采集器和信号转换器。
所述远程校准流量传感器的两侧分别设置有压力变送器一和压力变送器二，所述压力变送器一的一侧设置有温度变送器。
所述压力变送器一、压力变送器二和温度变送器分别通过导线与流量积算仪相连。
所述流量积算仪通过导线与信号转换器相连。
所述远程校准流量传感器的两侧分别设置有上游图像采集器和下游图像采集器。
所述上游图像采集器、下游图像采集器和信号转换器通过导线与中央处理器相连。
所述中央处理器通过DCS***连接控制室的计算机，计算机内设置有远程校准软件。
进一步的，所述远程校准流量传感器包括管道法兰、标准孔板、孔板法兰、上游管段和下游管段。所述孔板法兰的数量为两个，两个孔板法兰之间中心位置设置有标准孔板。两个孔板法兰之间通过若干紧固螺栓组件密封的连接在一起。所述紧固螺栓组件包括螺栓、螺母、弹垫和平垫。两个孔板法兰的两侧分别设置有上游管段和下游管段。所述上游管段和下游管段的另一端分别密封的设置有管道法兰。
进一步的，所述上游管段和下游管段上分别设置有若干摄像头/外光源坑位。所述上游图像采集器和下游图像采集器分别为若干工业相机和补光的光源，若干工业相机和补光的光源分别设于相应的摄像头/外光源坑位内。
进一步的，所述上游管段上设置有压力测量孔，所述压力测量孔位于其中一个摄像头/外光源坑位的外侧，所述压力测量孔内密封的设置有压力变送器。
进一步的，所述上游管段上设置有上游差压取压孔，所述上游差压取压孔位于其中一个摄像头/外光源坑位的内侧，所述压力变送器一密封的设置在上游差压取压孔内。
进一步的，所述下游管段上设置有下游差压取压孔，所述下游差压取压孔位于其中一个摄像头/外光源坑位的内侧。所述压力变送器二密封的设置在下游差压取压孔内。
进一步的，所述下游管段上设置有温度测孔，所述温度测孔位于其中一个摄像头/外光源坑位的内侧。所述温度变送器密封的设置在温度测孔内。
进一步的，所述摄像头/外光源坑位下端分别设置有高耐磨玻璃视窗。
进一步的，所述中央处理器备时序控制电路，以保证上游图像采集器和下游图像采集器能够在同一时刻采集孔板上下游的图像。
本发明利用数字成像技术对孔板流量计的工作状态下进行图像采集，利用与初始状态下存储于数据库的孔板图片比对，对d和D进行尺寸测量，得到d和D的误差，代入国标中C和ε公式，可以计算出调整后的流量参量，完成流量的在线校准。
一种用于测量圆形截面管道气体流量计远程校准的方法，其具体方案如下：
Step1:流量计安装前，需按GB/T2624.2的要求对下式的几何参量详细测量并存档；
Figure BDA0003045990850000041
式中：qV——流体体积流量，单位为立方米每秒(m3/s)；
C——流出系数，无量纲；
D——标准孔板流量传感器测量管内径，单位为米(m)；
ρ——工作状况下，节流件上游处流体的密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
ε——被测介质的可膨胀性系数，无量纲。
Δp——差压，单位为帕(Pa)；
Figure BDA0003045990850000051
式中：Sh表示标准孔板过流孔的面积，单位为米(m2)；
Sp标准孔板所在管道横截面的面积，单位为米(m2)；
D——楔形流量传感器测量管内径，单位为米(m)；
d——标准孔板的孔径，单位为米(m)。
Step2:传感器安装在管道后第一次运行，利用上游图像采集器和下游图像采集器采集上下游的初始图像作为原始参照图像，记录参照图像对应的温度、压力和流量，建立并存储像素点与Step1中测量的D和d的对应关系。
Step3：校准孔板的图像处理：校准时，远程发送校准命令至流量计的中央处理器，上游图像采集器和下游图像采集器同时采集图像，并上传至通过DCS***传至控制室的计算机的远程校准软件。
Step4：校准孔板的图像处理，图像处理***对接收校准图像和原始参照图像数据存储并进行灰度处理，将得到的校准状态下灰度图像与原始参照图像的灰度图像进行热膨胀修正后做减法，获取孔板几何尺寸形变的灰度图像。
Step5：软件利用算法提取若干方向的像素差，计算像素的均值，利用二中的像素与几何尺寸对应关系可计算孔板孔径变化量△d和孔板处管道直径的变化量△D的数值。
校准状态下的孔板的孔径dC和测量管内径DC进通过以下公式可计算得到。
dC＝d+Δd
DC＝D+△D
Step6：计算得到校准状态下孔板的流出系数变化量
(1)通过以下公式计算得到校准状态下的孔板的βC；
Figure BDA0003045990850000061
(2)将(1)中的βC代入如下公式，可以计算得到校准状态下的流出系数CC和可膨胀修正系数εC；
Figure BDA0003045990850000062
ReD根据D计算出的雷诺数；L1孔板上游端面到上游取压孔的距离与管道直径的商；
Figure BDA0003045990850000063
Figure BDA0003045990850000064
L′2孔板下游端面到下游取压孔的距离除以管道内径D的商
Figure BDA0003045990850000065
为等熵指数，仅与流体介质相关，查表可得；
p1为孔板的上游压力，单位Pa。
(3)将(2)中的计算结果代入公式(1)中，最终完成流量计的远程校准过程。
Step7：特征值重置，Step6中计算的相关系数和流量值的修正特征值传送至远程校准的流量计的中央处理器并置入远程校准流量计的流量积算仪。
本发明技术方案所述的基于图像识别的管网自由出流流量在线监测方法，其特征在于：(1)圆形截面管道气体流量的测量主要应用于钢厂、电厂和能源生产输运企业的管路过程流量参数控制和环境保护的气体排放数据的监测。(2)利用几何尺寸位对照图像像素点赋值，利用校准图像提出坏损孔板，对于可校准的孔板用连通域算法提取校准状态下封闭孔板边界轮廓二值图像中的八个方向直径像素差的平均值，作为孔板磨损导致的像素差。(3)对利用参照图像像素点队形的尺寸值计算孔板校准状态下的孔径dC和孔板附件的管道直径DC，利用公式计算校准状态下的孔板流出系数和可膨胀修正系数，代入流量计算公式完成流量的校准。(4)最终修正数据既在中控电脑端修改，也将通过软件远程置入流量计的主机。
本发明的有益效果为：利用标准孔板流量计建立几何尺寸d和D与流量之间的函数关系式，通过图像识别不拆卸的情况下校准标准孔板流量计的流出系数C和可膨胀修正系数ε误差，实现安全、经济的流量的远程在线校准。
附图说明
图1为本发明远程校准的流量计工艺图；
图2为标准孔板流量计结构示意图；
图3为图2中A-A向剖视图；
图4为远程校准流量传感器结构示意图；
图5为图4中B-B向剖视图；
图6为校准状态直径计算示意图。
附图标记：1-远程校准流量传感器，1-1-管道法兰，1-2-压力测量孔，1-3-摄像头/外光源坑位，1-4-上游高耐磨玻璃视窗，1-5-上游差压取压孔，1-6-标准孔板，1-7-温度测孔，1-8-下游差压取压孔，1-9-下游高耐磨玻璃视窗，1-10-孔板法兰，1-11-上游管段，1-12-紧固螺栓组件，1-13-下游管段，2-流量积算仪，3-中央处理器，4-压力变送器二，5-温度变送器，6-压力变送器一，7-图像采集器一，8-图像采集器二，9-信号转换器，10-参考值，11-校准值。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案作进一步具体描述：
如图1-图5所示，一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，包括远程校准流量传感器1、流量积算仪2、中央处理器3、压力变送器二4、温度变送器5、压力变送器一6、上游图像采集器7、下游图像采集器8和信号转换器9。
远程校准流量传感器1的两侧分别设置有压力变送器二4和压力变送器一6。压力变送器一6的一侧设置有温度变送器5。
压力变送器二4、温度变送器5和压力变送器一6通过导线与流量积算仪2相连。
流量积算仪2通过导线与信号转换器9相连。
远程校准流量传感器1的两侧分别设置有上游图像采集器7和下游图像采集器8。
上游图像采集器7、下游图像采集器8和信号转换器9通过导线与中央处理器3相连。
中央处理器3备时序控制电路，以保证上游图像采集器7和下游图像采集器8能够在同一时刻采集孔板上下游的图像。
中央处理器3通过DCS***连接控制室的计算机，计算机内设置有远程校准软件。
远程校准流量传感器1包括管道法兰1-1、摄像头/外光源坑位1-3、上游高耐磨玻璃视窗1-4、标准孔板1-6、下游高耐磨玻璃视窗1-9、孔板法兰1-10、上游管段1-11、下游管段1-13和紧固螺栓组件1-12。
孔板法兰1-10的数量为两个，两个孔板法兰1-10之间中心位置设置有标准孔板1-6。
两个孔板法兰1-10之间通过若干紧固螺栓组件1-12密封的连接在一起。紧固螺栓组件1-12包括螺栓、螺母、弹垫和平垫。
两个孔板法兰1-10的两侧分别设置有上游管段1-11和下游管段1-13。上游管段1-11和下游管段1-13的另一端分别密封的设置有管道法兰1-1。
上游管段1-11和下游管段1-13上分别设置有三个摄像头/外光源坑位1-3，三个摄像头/外光源坑位1-3之间的夹角为九十度。
上游管段1-11和下游管段1-13上的摄像头/外光源坑位1-3相对应。
上游管段1-11上中间的摄像头/外光源坑位1-3的外侧设置有压力测量孔1-2。
上游管段1-11上中间的摄像头/外光源坑位1-3的内侧设置有上游差压取压孔1-5。
上游管段1-11上的摄像头/外光源坑位1-3下端均设置有上游高耐磨玻璃视窗1-4。
下游管段1-13上中间的摄像头/外光源坑位1-3的内侧设置有温度测孔1-7和下游差压取压孔1-8。
下游管段1-13上的摄像头/外光源坑位1-3下端均设置有下游高耐磨玻璃视窗1-9。
压力测量孔1-2内设置有压力变送器。
压力变送器一6密封的设置在上游差压取压孔1-5内。
压力变送器二4密封的设置在下游差压取压孔1-8内。
温度变送器5密封的设置在温度测孔1-7内。
上游图像采集器7为两套工业相机和一套补光的光源，分别设置在上游管段1-11上的摄像头/外光源坑位1-3内。
下游图像采集器8为两套工业相机和一套补光的光源，分别设置在下游管段1-13上的摄像头/外光源坑位1-3内。
使用时，气体从上游管段1-11穿过标准孔板1-6流到下游管段1-13处，压力测量孔1-2内的压力测力计测量气体从上游管段1-11内的压力，压力变送器一6监测上游管段1-11内标准孔板1-6的压力差，压力变送器二4监测下游管段1-13内标准孔板1-6的压力差，并均将压力差的信息传输给流量积算仪2；温度变送器5监测上游管段1-11内气体的温度，并将传输给流量积算仪2；流量积算仪2将收集到的信息传输给信号转换器9，然后信号转换器9再将转换后的信息传输给中央处理器3。上游图像采集器7摄录采集上游管段1-11内的图像，下游图像采集器8摄录采集下游管段1-13内的图像，并将图像信息传输给中央处理器3。中央处理器3将收集到的各种信息通过DCS***传至控制室的计算机的远程校准软件，进行流量的计算和校准。
一种用于测量圆形截面管道气体流量计远程校准的方法，其具体方案如下：
Step1:流量计安装前，需按GB/T2624.2的要求对图3中所示的几何参量详细测量并存档；
Figure BDA0003045990850000111
式中：qV——流体体积流量，单位为立方米每秒(m3/s)；
C——流出系数，无量纲；
D——标准孔板流量传感器测量管内径，单位为米(m)；
ρ——工作状况下，节流件上游处流体的密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
ε——被测介质的可膨胀性系数，无量纲。
Δp——差压，单位为帕(Pa)；
Figure BDA0003045990850000121
式中：Sh表示标准孔板过流孔的面积，单位为米(m2)；
Sp标准孔板所在管道横截面的面积，单位为米(m2)；
D——楔形流量传感器测量管内径，单位为米(m)；
d——标准孔板的孔径，单位为米(m)。
上述公式中，Δp差的量值来源于差压变送器，可以实现不停工现场校准，影响流量量值的参数中根据国家标准GB/T2624.2《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量第二部分：孔板》的规定，C、ε和均为雷诺数d和D量参数的函数。
在没有明显缺口的前提下，标准孔板校准图1所示的几何参量，可通过GB/T2624.2中的公式得到流出系数C和ε的量值，并置入流量积算仪完成流量的校准。
Step2:传感器安装在管道后第一次运行，利用上游图像采集器7和下游图像采集器8采集上下游的初始图像作为原始参照图像，记录参照图像对应的温度、压力和流量，建立并存储像素点与Step1中测量的D和d的对应关系。
Step3：校准孔板的图像处理：校准时，远程发送校准命令至流量计的中央处理器3，上游图像采集器7和下游图像采集器8同时采集图像，并上传至通过DCS***传至控制室的计算机的远程校准软件。
软件利用校准图像判断孔板上下游是否具有灰尘淤积，如有淤积需采用现场管道上安装的自动吹扫装置除去后再次采集图像。
软件判断孔板校准图像G、H、I三个锐边是否已经有缺口破损，如破损面积大于设置的最大可用破损面积，则此孔板将不再适合用于流量测量，需直接更换新的孔板。
Step4：校准孔板的图像处理，图像处理***对接收校准图像和原始参照图像数据存储并进行灰度处理，将得到的校准状态下灰度图像与原始参照图像的灰度图像进行热膨胀修正后做减法，获取孔板几何尺寸形变的灰度图像。
Step5：如图5所示，软件利用算法提取1～8这八个方向的像素差，计算像素的均值，利用二中的像素与几何尺寸对应关系可计算孔板孔径变化量△d和孔板处管道直径的变化量△D的数值。
校准状态下的孔板的孔径dC和测量管内径DC进通过以下公式可计算得到。
dC＝d+Δd
Dc＝D+△D
Step6：计算得到校准状态下孔板的流出系数变化量，
(1)通过以下公式计算得到校准状态下的孔板的βc；
Figure BDA0003045990850000131
(2)将(1)中的βc代入如下公式，可以计算得到校准状态下的流出系数Cc和可膨胀修正系数εC；
Figure BDA0003045990850000141
ReD根据D计算出的雷诺数；L1孔板上游端面到上游取压孔的距离与管道直径的商；
Figure BDA0003045990850000142
Figure BDA0003045990850000143
L′2孔板下游端面到下游取压孔的距离除以管道内径D的商
Figure BDA0003045990850000144
κ为等熵指数，仅与流体介质相关，查表可得；
p1为孔板的上游压力，单位Pa。
(3)将(2)中的计算结果代入公式(1)中，最终完成流量计的远程校准过程。
Step7：特征值重置，Step6中计算的相关系数和流量值的修正特征值传送至远程校准的流量计的中央处理器并置入远程校准流量计的流量积算仪。
上述实施例只是对本发明技术方案的举例说明或解释，而不应理解为对本发明技术方案的限制，显然，本领域技术人员可对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些修改和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：包括远程校准流量传感器、流量积算仪、中央处理器、温度变送器、上游图像采集器、下游图像采集器和信号转换器；
所述远程校准流量传感器的两侧分别设置有压力变送器一和压力变送器二，所述压力变送器一的一侧设置有温度变送器；
所述压力变送器一、压力变送器二和温度变送器分别通过导线与流量积算仪相连；
所述流量积算仪通过导线与信号转换器相连；
所述远程校准流量传感器的两侧分别设置有上游图像采集器和下游图像采集器；
所述上游图像采集器、下游图像采集器和信号转换器通过导线与中央处理器相连；
所述中央处理器通过DCS***连接控制室的计算机，计算机内设置有远程校准软件。
2.根据权利要求1所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述远程校准流量传感器包括管道法兰、标准孔板、孔板法兰、上游管段和下游管段，所述孔板法兰的数量为两个，两个孔板法兰之间中心位置设置有标准孔板，两个孔板法兰之间通过若干紧固螺栓组件密封的连接在一起，两个孔板法兰的两侧分别设置有上游管段和下游管段，所述上游管段和下游管段的另一端分别密封的设置有管道法兰。
3.根据权利要求2所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述上游管段和下游管段上分别设置有若干摄像头/外光源坑位，所述上游图像采集器和下游图像采集器分别为若干工业相机和补光的光源，若干工业相机和补光的光源分别设于相应的摄像头/外光源坑位内。
4.根据权利要求3所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述上游管段上设置有压力测量孔，所述压力测量孔内密封的设置有压力变送器。
5.根据权利要求4所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述上游管段上设置有上游差压取压孔，所述压力变送器一密封的设置在上游差压取压孔内。
6.根据权利要求5所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述下游管段上设置有下游差压取压孔，所述压力变送器二密封的设置在下游差压取压孔内。
7.根据权利要求6所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述下游管段上设置有温度测孔，所述温度变送器密封的设置在温度测孔内。
8.根据权利要求7所述的用于测量圆形截面管道远程校准的气体流量计，其特征在于：所述摄像头/外光源坑位下端分别设置有高耐磨玻璃视窗。
9.一种用于测量圆形截面管道气体流量计远程校准的方法，其具体方案如下：
Step1:流量计安装前，对下式的几何参量详细测量并存档
Figure FDA0003045990840000031
Figure FDA0003045990840000032
Step2:传感器安装在管道后第一次运行，采集上下游的初始图像作为原始参照图像，记录参照图像对应的温度、压力和流量，建立并存储像素点与Step1中测量的D和d的对应关系；
Step3：校准孔板的图像处理：校准时，远程发送校准命令至流量计的中央处理器，上游图像采集器和下游图像采集器同时采集图像，并上传至通过DCS***传至控制室的计算机的远程校准软件；
Step4：校准孔板的图像灰度处理：图像处理***对接收校准图像和原始参照图像数据存储并进行灰度处理，将得到的校准状态下灰度图像与原始参照图像的灰度图像进行热膨胀修正后做减法，获取孔板几何尺寸形变的灰度图像；
Step5：软件利用算法提取若干方向的像素差，计算像素的均值，利用二中的像素与几何尺寸对应关系可计算孔板孔径变化量△d和孔板处管道直径的变化量△D的数值；
Step6：计算得到校准状态下孔板的流出系数变化量：
(1)通过以下公式计算得到校准状态下的孔板的βC；
(2)通过(1)中的βC计算得到校准状态下的流出系数CC和可膨胀修正系数εC；
(3)将(2)中的计算结果代入公式
Figure FDA0003045990840000041
中，最终完成流量计的远程校准过程；
Step7：特征值重置，Step6中计算的相关系数和流量值的修正特征值传送至远程校准的流量计的中央处理器并置入远程校准流量计的流量积算仪。
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