WQJS型智能氣量積算儀及其應(yīng)用

WQJS型智能氣量積算儀及其應(yīng)用

宜賓機(jī)電一體化研究所  

WQJS型積算研制于1990年，從1991年開始投放使用。是在川西南礦區(qū)及管理局技監(jiān)處的合作與支持下研制成功的。當(dāng)時，希望出現(xiàn)一種能支持取代雙波紋差壓計(jì)可以在環(huán)境條件較差（包括供電環(huán)境）的地方運(yùn)行的流量計(jì)算機(jī)；強(qiáng)調(diào)可靠、準(zhǔn)確、實(shí)用。在各礦區(qū)尤其是重慶氣礦支持下產(chǎn)品發(fā)展到Ⅳ型；可靠性、實(shí)用性越來越高。用于單井計(jì)量優(yōu)越性尤為顯著。
一、積算儀原理介紹
WQJS積算儀是一臺監(jiān)測兩氣路的單板式流量計(jì)算機(jī)；整機(jī)計(jì)量示值誤差（接收4～20mA電流信號時）0.3％；積算儀配置有專用UPS電源，交流停電接續(xù)時間（標(biāo)配）為20小時；積算儀還支持液晶漢字顯示、微打（或窄行針打）；數(shù)據(jù)存儲量：對Ⅲ型機(jī)為2月內(nèi)日產(chǎn)；對Ⅳ型機(jī)半年內(nèi)的每15分鐘工況及日產(chǎn)；WQJS積算儀 Ⅳ型機(jī)支持以太網(wǎng)、RS485等方式組織數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。隨著每級上升改進(jìn)也在不斷增強(qiáng)，到Ⅳ型機(jī)為止，與WQJS鍵盤輸入已改為漢字菜單，使用更方便；增加了漏失計(jì)量補(bǔ)償(包括樣表、清洗孔板、人工補(bǔ)償)；設(shè)置了小差壓切除等重要功能；而且很大程度擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲能力，可記錄每15分鐘平均工況值及日產(chǎn)量達(dá)半年以上；可靈活的配置各型打印機(jī)。可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。
WQJS適用于作GB/T 18603規(guī)定的B、C級計(jì)量站配置。
1、計(jì)量原理：
在天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)量系統(tǒng)中WQJS主要充任流量的工況分析、流量計(jì)算兩大功能。
1）、工況分析
所謂工況分析是指：積算儀采集現(xiàn)場由變送器傳送來的差壓、壓力與溫度值。采信有用信號、剔除不可用信號、對流量（或壓力）設(shè)定工況值進(jìn)行報(bào)警指示。
有用信號是指4～20mA范圍內(nèi)的有效量值。這些量值被采集后，通過當(dāng)量轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)場差壓、壓力和溫度供流量計(jì)算用。
不可用信號是指計(jì)量系統(tǒng)采集回路因干擾產(chǎn)生的不可使用量值，一般為偏離當(dāng)前值太遠(yuǎn)的數(shù)值。在過程控制中用所謂“濾波”方法加以剔除。對實(shí)時性有要求的一般采用“去掉最高，去掉最低，平均多少的中值平均混合濾波”；對實(shí)時性沒有要求的采用“以前量95％＋當(dāng)前量5％的平滑濾波”。
工況報(bào)警，在WQJS中已設(shè)有超流量90％（出廠時）報(bào)警。也可以擴(kuò)展節(jié)流裝置處壓力量限報(bào)警。
2）、流量計(jì)算
包括瞬時流量計(jì)算與累計(jì)流量計(jì)算。
在工況分析過程中，WQJS所采集工況皆為每一瞬時值，以此計(jì)算出的流量當(dāng)然為當(dāng)時的瞬時流量。將每瞬時的漢量值對時間積分，即累計(jì)成了測量的流量。
WQJS對瞬時流量是按SY/T 6143標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果是以秒為單位的瞬時流量值。WQJS對流量計(jì)算先必須正確收存三類數(shù)據(jù)：
① 節(jié)流裝置（流量傳感器）有關(guān)參數(shù)，它們是：
   測量管內(nèi)徑D
標(biāo)準(zhǔn)孔板孔徑d
   測量管線脹系數(shù)D∧
孔板線脹系數(shù)d∧
   測量管內(nèi)壁粗糙壓K
孔板入口邊緣尖銳度半徑Rk(或孔板工作年限)
② 氣體組分參數(shù)，按SY/T 6143要求為：
   天然氣的相對真實(shí)密度Gr
   天然氣中二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)MC
   天然氣中氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)Mn
③ 氣體流動工況數(shù)據(jù)：
   差壓Pa  壓力M Pa     溫度    ℃

[ 本帖最后由 chcatch 于 2007-8-1 10:27 編輯 ]

①、②是從鍵盤輸入計(jì)算機(jī)中儲存在不可丟掉數(shù)據(jù)區(qū)中，供隨時調(diào)用。③工況數(shù)據(jù)是實(shí)時采集到的量值，得到工況數(shù)據(jù)之后WQJS先進(jìn)行中間參數(shù)的計(jì)算，它們是流出系數(shù)C、漸近系數(shù)E、可膨脹性系數(shù)ε、流動溫度系數(shù)FT、密度系數(shù)FG、超壓縮系數(shù)FZ等，然后按按SY/T 6143規(guī)定的實(shí)用公式：

Qn=3.1794×10－6CεEd2FGFTFZ√P1ΔP

計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。最后進(jìn)行因孔板入口邊緣尖銳壓及測量管內(nèi)壁粗糙壓

偏離標(biāo)準(zhǔn)的修正計(jì)算  

Qn= Qn′×bk×Rre   (實(shí)質(zhì)是對流出系數(shù)的修正)

WQJS每秒鐘內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)采集與流量計(jì)算過程。WQJS設(shè)計(jì)有精度為0.01％的秒時鐘電路以保證累計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2、工作原理
1）、電路工作原理
WQJS在結(jié)構(gòu)上具有過程控制計(jì)算機(jī)的基本組成，它們是如下三部分。
單板計(jì)算機(jī)其功能，即包括：
CPU運(yùn)算單位、數(shù)據(jù)存儲單元、顯示單元、打印單元以及鍵盤等；
過程控制所需的接口單元，是：
1/V轉(zhuǎn)換單元、A/D轉(zhuǎn)換單元等 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)；
供電電源包括：
交－直轉(zhuǎn)換、機(jī)內(nèi)電路供電、蓄電池充電及放電切換

如圖1，現(xiàn)場儀表的4～20mA電流經(jīng)回流柵（保護(hù)輸入）到1/V轉(zhuǎn)換電路變轉(zhuǎn)換0.4～2V電壓，由A/D轉(zhuǎn)換電路再轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)可認(rèn)別的數(shù)字量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理后顯示輸出流量值。
2）保證計(jì)量準(zhǔn)確可靠的結(jié)構(gòu)措施
要做到計(jì)量的準(zhǔn)確可靠，WQJS當(dāng)作一臺數(shù)據(jù)處理機(jī)看待，設(shè)計(jì)了適應(yīng)的若干抗干擾措施與容錯、糾錯能力以保證所獲數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)以及保存和送顯的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠；僅如此 還不夠，WQJS又被視為計(jì)量系統(tǒng)的部分把它當(dāng)作計(jì)量設(shè)備。因此需要保證計(jì)量準(zhǔn)確性的精度分配。從電路結(jié)構(gòu)看，有輸入精度即從4～20mA轉(zhuǎn)換為對應(yīng)數(shù)字量的準(zhǔn)確值；有運(yùn)算精度，即符合SY/T 6143計(jì)算結(jié)果的程度；有計(jì)算分割時間（瞬間）精度及精度累計(jì)時間等三方面的精度分配，這當(dāng)中輸入精度與時間精度是主要的。
影響輸入精度有回流柵，1/V轉(zhuǎn)換，及A/D轉(zhuǎn)換三個環(huán)節(jié)，對于A/D轉(zhuǎn)換易于被人看重，在部分產(chǎn)品中有提出指標(biāo)如十二位，十六精度等 ，對于WQJSⅢ型為14位（十進(jìn)制4位半等于現(xiàn)場用標(biāo)準(zhǔn)器精度），Ⅳ型為16位(相當(dāng)于十進(jìn)制5位半標(biāo)準(zhǔn)器)，WQJSⅢ型的A/D轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.2％，以保證0.3％，Ⅳ型的A/D轉(zhuǎn)換優(yōu)于0.1％以保證0.2％。輸入的另兩個環(huán)節(jié)對計(jì)量精度也有很大影響，容易被人忽略：回流柵，在電路中是起過壓或波涌保護(hù)，因此一般用嵌位電壓與瞬態(tài)吸收功率表示。它本來對信號的轉(zhuǎn)換不起作用，但從試驗(yàn)知道，回流柵的漏電流對信號量值有影響，必須＜6μA，WQJS提供的回流柵漏電流≤1μA，外購配套的防雷模塊漏電流＜6μA。1/V轉(zhuǎn)換作用是把現(xiàn)場輸入的4～20mA電流值轉(zhuǎn)換成A/D電路可認(rèn)別的1～5V或其他范圍的電壓值，這當(dāng)然涉及到轉(zhuǎn)換量的準(zhǔn)確程度，在過程控制專業(yè)中把這一電路稱作信號調(diào)理，搞數(shù)據(jù)處理的人一般不會特別在意轉(zhuǎn)換精度，而只取其隔離性能以防止外信號在傳輸過程中引入的干擾。這個電路簡單的處理是選用早期稱配電器，后來叫隔離器的信號調(diào)理模塊，一般隔離器給了0.2％的轉(zhuǎn)換指標(biāo)。實(shí)際中大多超過此值甚至有達(dá)1％的，因此WQJS從設(shè)計(jì)之初就認(rèn)真研究的這個問題，舍去了這一“方便”的技術(shù)方案，而采用溫度穩(wěn)定性在10PPm/℃的精密電阻作1/V轉(zhuǎn)換，Ⅲ型機(jī)加入了可調(diào)環(huán)節(jié)可使精度優(yōu)于0.01％，在Ⅳ型機(jī)中采用0.02％固定式1/V轉(zhuǎn)換。這一做法在實(shí)踐中為信號正確轉(zhuǎn)換，與系統(tǒng)精度的保證提供了較好保證，達(dá)到了GB/T 18603關(guān)于計(jì)量系統(tǒng)可靠性與校準(zhǔn)要求。
在保證準(zhǔn)確可靠方面WQJS的供電系統(tǒng)也是功不可抹的。在WQJS多次升級改造中供電系統(tǒng)都是首當(dāng)其沖，目的在于建立起高抗干擾的屏障，WQJS產(chǎn)品從Ⅱ型機(jī)開始使用的被稱為“集散式”的電源系統(tǒng)，在去年的一個全國性電子技術(shù)雜文志上被一軍工項(xiàng)目作為

抗干擾措施加以介紹，其電路結(jié)構(gòu)與WQJS電源幾乎完全一樣。在這套電源系統(tǒng)中我們又優(yōu)選了一種進(jìn)口電源模塊，因此不單表現(xiàn)了很高的抗干擾能力，而且表現(xiàn)出了高的運(yùn)行可靠性。
二、WQJS積算儀的安裝與使用
1、安裝
安裝環(huán)境要求，在0℃～45℃環(huán)境溫度    30％～90％HR濕度  有180V～250V交流供電的非爆炸環(huán)境中。
WQJS的接線連接很簡單，按使用說明書將3或6對變送器接入信號及電源插頭的接線端子即可。
WQJS已在機(jī)內(nèi)安裝了防爆關(guān)聯(lián)設(shè)備(安全柵)向現(xiàn)場變送器提供24V 30mA（最大）本安電流，信號線輸入也已設(shè)置回流保護(hù)柵，因此支持現(xiàn)場本安儀表使用，信號線輔設(shè)也只需考慮機(jī)械強(qiáng)度與防鼠害即可。
對于WQJS的安裝著重介紹接地及防雷要求，這也是對WQJS所屬計(jì)量系統(tǒng)的要求與措施。
1）關(guān)于接地
在WQJS計(jì)量系統(tǒng)中涉及如下接地：
?WQJS邏輯地（機(jī)內(nèi)直流工作地）
?交流電源工作地（220伏零線）
?信號屏敝接地10Ω
?設(shè)備保護(hù)地4Ω
?防爆接地100Ω
?防雷接地10Ω
WQJS邏輯地為“浮空地”它要求不接入大地，交流220伏零線是在發(fā)電設(shè)備處接大地，不需在使用端接大地（接地可能造成機(jī)殼與火線串接發(fā)生危險(xiǎn)）要求遵守《右0右火》原則，除此以外上述四種地均要求可靠接大地且應(yīng)分別達(dá)到對地電阻要求。
WQJS采用混合接地方式按GB/T 18603要求為1Ω，根據(jù)有關(guān)資料在4Ω以下即可。
WQJS為用戶配置了“接地樁”及接地銅排，方便與有關(guān)接地點(diǎn)連接。
WQJS機(jī)箱的保護(hù)接地是通過三芯電源線從插座中引出，如配用了DP1-1防雷配電箱則將電源線直接插入配電箱插座也可，在配電箱中匯入接地排，若自備交流電源則需處理安全接地，接地點(diǎn)是三芯插頭的中間頭。
防爆接地是疏導(dǎo)變送器外殼的感應(yīng)靜電用，在WQJS信號線的處理中要求使用3芯電纜，其中之一芯便可用于防爆接地。
交流防雷、儀表防雷接地是從防雷模塊中的接地點(diǎn)引出的分別與接地銅排壓接。
WQJS的信號屏敝接地是用接地銅排壓緊信號線屏敝層的辦法處理的，對于常用鎧裝電線的信號線要求屏敝銅薄刮凈燙焊處理。
2）關(guān)于防雷
在WQJS涉及的計(jì)量系統(tǒng)中可能涉及的雷擊有“本地（直接）雷擊”“感應(yīng)雷擊”兩種。對于《本地雷》目前無法可防。
WQJS所處計(jì)量環(huán)境，“感應(yīng)雷擊”來自兩個方向，一是交流電網(wǎng)；二是輸氣管道。對于“感應(yīng)雷擊”的防止措施無非是隔離或疏導(dǎo)。WQJS是這樣處理的：
⑴ 來自交流電網(wǎng)“感應(yīng)雷擊”的防止
WQJS是一種相對簡單的系統(tǒng)，因此防交流電網(wǎng)感應(yīng)雷引入的推薦方法之一是建議采用雙刀雙擲閘刀開關(guān)（或鐵殼開關(guān)）引入電源，在有雷閃預(yù)兆時，切斷電源以切斷雷電襲擊源。這是一種人工輔助的隔離方案。另一辦法是采用與WQJS配套的DP1-1交流防雷配電箱，這種具有繼電保護(hù)功能的配電箱電路中串入進(jìn)口防雷模塊，它采用部分阻擋部分疏導(dǎo)的辦法防止感應(yīng)雷電的襲擊。這是不需人工介入的，但必須要可靠接地，否則阻擋后的殘余電壓仍可損壞電子器件。
⑵ 來自輸氣管道“感應(yīng)雷擊”的防止
‘輸氣管道埋地已接大地’這個觀念是不正確的，至少不可靠的“接地”管道仍然是一個良好的感應(yīng)雷傳輸導(dǎo)體，實(shí)踐證明輸氣管道傳輸?shù)睦讚裟軗p壞變送器且能通過信號線破壞后端設(shè)備。
WQJS推薦采用隔離防止方案，并為此提供了FLJ2-1變送器防雷安裝架，這套安裝架采用絕緣－隔離的辦法，切斷導(dǎo)壓管與變送器的導(dǎo)電連接以及管道的金屬連接。
對于WQJS更可靠的防雷保護(hù)，在信號線輸入端再接入“儀表防雷模塊”，這可防止在站內(nèi)避雷系統(tǒng)疏導(dǎo)雷地電時在埋地信號線上感應(yīng)的感雷電壓破壞。
通過以上辦法，在WQJS所處計(jì)量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了可靠的防爆、防雷以及安全保護(hù)。
2、使用與維護(hù)
WQJS積算儀自身使用比較簡單，送入節(jié)流裝置參數(shù)、氣體組分以及變送器對應(yīng)量程值，再連接好電源線及信號便可以開始使用。對于最初使用的WQJS積算儀計(jì)量系統(tǒng)，還應(yīng)在投入運(yùn)行之初仔細(xì)觀察計(jì)量系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)，不能泄漏，（包括內(nèi)漏與外漏），變送器量程最好能使期運(yùn)行范圍在30％～90％之間，經(jīng)過試運(yùn)行確認(rèn)運(yùn)行參數(shù)合理，沒有影響真實(shí)計(jì)量的因素之后，才正式啟表使用。WQJS參數(shù)的輸入很簡單，WQJSⅢ型使用一個4×4小鍵盤，參數(shù)輸入僅使用一個鍵連續(xù)送入即可。WQJSⅣ使用計(jì)算機(jī)小鍵盤，使用六個功能鍵，按顯示菜單進(jìn)行人機(jī)對話即可。
日常維護(hù)保養(yǎng)注意以下幾點(diǎn)：
⑴、每兩月，最好每月對蓄電池“全放全充”一次。就是切斷交流電源，讓W(xué)QJS自耗電至關(guān)機(jī)再開啟交流電即可，堅(jiān)持這種維護(hù)作業(yè)可使蓄電池壽命大大延長。
⑵、至少每半年檢查，特別是冬末春初之際檢查地電阻應(yīng)≤1Ω（至少≤4Ω）。
⑶、環(huán)境條件好一點(diǎn)的每半年，差的每三月，用柔軟毛刷仔細(xì)掃除機(jī)內(nèi)每電路板上的灰塵，此操作應(yīng)關(guān)機(jī)進(jìn)行。
⑷、使用微打的WQJS每半年或一年用酒精擦洗打印機(jī)走紙膠輪一次，去除運(yùn)行過程中護(hù)作在上面的紙纖維，以增加走紙摩擦力。
⑸、環(huán)境條件較差有輕微腐蝕的地方發(fā)現(xiàn)機(jī)內(nèi)外接插件有發(fā)黑現(xiàn)象時，應(yīng)急時請求制造單位協(xié)助更換，以免影響接觸可靠性。
WQJS故障處理一般都采用電路組件板整塊更換。現(xiàn)場故障多為計(jì)量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性故障，要多從各環(huán)節(jié)上分析處理。