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 技术论文
流量计检定系统的脉冲插入技术的理论与实践

美 国 Thomas W. Pugh

  摘 要:本文简要介绍了流量计脉冲产生的方法和用体积管检定流量计的基本原理;简述了脉冲插入技术的发展;重点阐述了常用的几种脉冲插入方法的原理和应用。


一、前   言


  为了成功地检定脉冲输出的流量计如涡轮流量计和容积式流量计,美国石油学会(API)规定计量仪表必须具备1/10000的分辨率。这要求在流量计检定时,两个检测开关之间的间隔内流量计要发出至少10000个脉冲。
  然而,在市场上销售的计量仪表所具有的分辨率低于API的要求。为了克服这一缺陷,开发了脉冲插入技术。本文将回顾脉冲插入技术的历史和在小容积体积管上的发展以及脉冲输出的产生,说明和解释当前小容积体积管制造商采用的几种脉冲插入方法。


二、历史回顾


  北海油田的开发促进了近海采油平台结构的发展。由于空间的限制,常规的体积管不适于海洋平台。英国国家工程实验室在评价各种检定技术过程中开发出了脉冲插入技术。
  第一次实际应用是斯伦贝谢(Schlumberger)改进了其仪表的分辨率而不是减少常规体积管尺寸。同时,另一家公司也把脉冲插入技术应用于一种活塞体积管的开发中。然而这种体积管不能满足油品输送计量标准的精度要求,因而没有被API采用。
  英国仍然相信脉冲插入技术在他们研究的获得认可的一台测量准确度的小尺寸体积管上具有可用的分辨率。在英国向国际标准化组织(IS0)提出这项技术后,API开始在小容积体积管上对这项技术进行验证。接着,API通过出版的API第4章第6节认可了这一新技术--在流量计检定中增加流量计分辨率的实用方法。这使得一些制造商继续开发了各种小容积体积管。


三、流量计脉冲的产生


  在流量测量领域有各种类型的输出脉冲的流量计,但是只有两种流量计可以用于高精度的液体输送计量。这就是涡轮流量计和容积式(PD)流量计。
  涡轮流量计是基于将一个可以自由旋转的带有多个叶片的转子固定在一节短管内部类似于一个气涡轮或蒸汽涡轮,因此称为涡轮流量计。流体通过带倾斜的转子叶片使转子旋转,转子的角速度与通过的流体容积流量成正比。在流量计壳体外部固定一个电磁检测线圈,当涡轮转子通过电磁线圈时,转子的角速度转换为电频率信号。流量计的壳体是由不锈钢制成的,这是因为不锈钢不导磁,对线圈建立起来的磁场影响极小。有磁阻型和电感型两种基本类型的电磁线圈,其基本工作原理都是磁场在线圈中运动。以脉冲输出的电感量信号可以数字形式累积,对流量测量来说最大的累积误差是一个脉冲。为了增加涡轮流量计的分辨率,设计出带轮圈的转子,沿着轮圈一周安装有感应磁钮,其操作原理除了体积小、磁导率高外与以上相同。这样由于单位容积发出了更多的脉冲而使流量计分辨率提高。为了比这种轮圈转子得到更高的分辨率,可以另增加一个与第一个检测线圈成90o的另一个线圈。第二个频率信号经联合放大器,这样可由一个信号得到两倍的分辨率。当要求脉冲保真度时,也应用这种双线圈型式。涡轮流量计基本的优点是每个周期发出的频率也正比于流体的小的增量。
  容积式流量计是另一种型式的脉冲输出的流量计。这种装置类似于一个旋转齿轮泵。流体通过流量计被分成不连续的部分(斗),这些斗的容积是被检定过的,旋转的斗数很容易记录。流量计的转子上安装有一个开槽的圆盘,这类似于涡轮流量计的带轮圈的转子,圆盘与容积式流量计转子的转动一致,并发出脉动的频率输出。与涡轮流量计一样,这个输出与容积流量成正比。为了输出可靠性高的脉冲,前面所述的具有90o相位角的双检测线圈也可以用于容积式流量计。容积式流量计的主要优点是可以用于高粘度流体,在粘性流体中应用,其测量准确度高。同时可提供优于涡轮流量计的分辨率。
  还有一些其它形式的脉冲输出流量计如涡街流量计和多束超声流量计,它们在流量计量领域占有一定位置,然而这些流量计没有上述流量计那样的通用性。


四、检   定


  标准体积管广泛地应用于流量计检定,且在检定时不用中断计量过程。用于油品输送计量的常规体积管有两种:双向的和单向的。单向取名于在检定运行中球以单一方向通过,双向体积管的球在第一个行程中为一个方向,在第二个行程中以相反的方向运行。除了常规体积管外,还有多种形式的小容积体积管,其在输送计量中被越来越多地接受。如API要求的那样,由于两个检测开关之间,流量计需至少发10000个脉冲,因此需要增加容积,常规体积管尺寸比小容积体积管大。
  所有的体积管原理是一样的,就是已知体积的液体的置换,即液体流经已检定过的管段,将其体积与同时流经流量计的液体体积相比较。为了完成这一过程,流体推动着弹性球通过体积管或已提到过的小容积体积管。在已检定过的管段前面和后面设置有开关,称为检测开关,弹性球在检定开始和结束时会触发它们以控制记数开始和结束。球在两个检测开关间运行的期间,流量计的脉冲由电子记数器累积。流量计计量出的体积与体积管已知的体积的比值称为仪表系数。
  与流量计检定有关的是电子记数器的随机误差。所有的记数器在驱动检测开关的启停操作的记数中会有±1个脉冲的误差。在10000个脉冲中,±1个脉冲的记数误差等于±0.01%的误差。这是API石油计量标准手册第4章第2节有关油品输送计量准确度允许的最大偏差。
  如前面提到的,小容积体积管实际上是检测开关间的较小的容积置换。它不能累积至少10000个脉冲。API石油计量标准手册第4章第6节提出一个电子的提高流量计分辨率的方法,称为脉冲插入。应该说脉冲插入技术被纳入每一个小容积体积管中。


五、脉冲插入法


  脉冲插入就是使用一个工序或规则算法来确定两个已知值之间的一个值的方法。脉冲插入法是确立两个相邻的脉冲之间的部分脉冲的值。很重要的一点是当采用任何脉冲插入方法时,都假定流量计的脉冲序列的频率没有大的变化。由流量的脉动引起频率的不规则变化将会降低这一方法的准确度。用于油品输送中的脉冲插入法有三种:①双脉冲或双测时法;②四测时法;③相位联锁回路法。
  1.双测时法(Double Chronometry Method)
  在流量计检定期间,由记数器记录体积管的球(或活塞)在两个检测开关之间运行时流量计发出的脉冲数Nm
  如图1所示,记录第一个检测开关动作后的第一个流量计脉冲和第二个检测开关动作后的第一个流量计脉冲之间的时间间隔T1
  记录前、后两个检测开关信号之间的时间间隔T2

图1 双测时法

  T1/Nm的比值是每个流量计脉冲的时间,用T2除以每个流量计脉冲时间(T1/Nm)得到
的就是第一个检测开关和第一个流量计脉冲之间或第二个检测开关和后一个流量计脉冲之间脉冲分数值。这个值可以降低到Nm (T2/T1)等于Ni或者由检测开关之间发出的完整和部分的流量计脉冲的准确的数。脉冲的插入数由下式给出:
                Ni= Nm×(T1/T2)                 (1)
  2. 四测时法(Quadruple Timing Method)
  这种脉冲插入法如图2所示。通过累积一个检定行程期间流量计发出的全部脉冲数Nm和测量四个时间间隔T1、T2、T3和T4
  T1是第一个检测开关启动信号与跟踪该信号第一个流量计脉冲之间的时间间隔。T2是第一个检测信号后的第一个流量计脉冲与第二个流量计脉冲之间的时间间隔;或者T2也可以是第一个检测信号前的最后一个流量计脉冲和第一个检测信号的第一个流量计脉冲之间的时间间隔。T3是第二个检测开关启动信号与跟踪其后的第一个流量计脉冲之间的时间间隔。T4是第二个检测信号后的第一个流量计脉冲与第二个流量计脉冲之间的时间间隔;或者T4也可以是第二个检测信号前的最后一个流量计脉冲与第二个检测信号后的第一个流量计脉冲之间的时间间隔。Nm是两个检测开关信号之间累积的流量计的脉冲数。插入脉冲数Ni以式(2)计算。
               Ni=Nm+ T1 / T2-T3 / T4              (2)


图2 四测时法

  3.相位联锁回路法(Phase-Locked Loop Method)
  如图3所示,流量计脉冲作为输入信号l输入到相位对比器,相位对比器的输出信号进入电压控制振荡器(以下称VCO),VCO产生了与相位对比器输出信号成比例的一个较高频率的脉冲。VCO将这个高频率脉冲信号经分频处理并衰减R信号后作为输入信号2反馈到相位对比器。这样可以看到,相位对比器输出的电压与两个输入的频率差成比例。R值确定了脉冲插入除数。N*是增高频率的脉冲数,T是两个检测开关间的时间间隔,则内插脉冲数N'以式3)计算:
                  N'= N*/ R                    (3)


图3 相位联锁回路法

六、讨 论


  小容积体积管作为一种设想最初用于北海的采油平台上。然而,小容积体积管不能满足
API标准规定的对一个检定行程中流量计需发出10000个脉冲的要求。脉冲插入法用以改进流量计的分辨率,而不是为了使缩小了尺寸的常规体积管获得使用的资格。脉冲插入法测定两个检测开关信号之间部分脉冲的值,减少记录脉冲接近整数时的圆整误差。这对于不能累积10000个脉冲的小容积体积管是非常有用的。在石油产品的输送计量中最常用的方法是双测时法。脉冲插入法适于能产生稳定频率的流量计,如涡轮流量计。当流量计脉冲有微小变化时,脉冲插入法的准确度略为降低。涡轮流量计、椭圆齿轮流量计和任何通过齿轮链驱动脉冲发生器的流量计会产生一个不规则的频率。脉冲插入法被API和ISO标准委员会认可后,许多公司开始跟踪小容积体积管的发展,它们已被测量领域所接受,并且在有些情况,比常规的体积管更具有优越性。随着电子元件技术的不断发展,更精密地测定相邻脉冲的脉冲插入技术将会进一步提高。


资料来源于美国《烃计量技术培训材料》1995年
编译:李从信
审校:潘兆柏

 
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