一种粘稠液体流量自动检测系统和方法
专利摘要:本发明公开了一种粘稠液体流量自动检测系统和方法:针对粘稠液体的流量检测,提出基于标准表法和静态质量法的一种粘稠液体流量自动检测系统和基于PID控制的自动检测方法。首先将被测液体加入系统储水罐中,安装将被检流量计,通过上位机和可编程控制器控制离心水泵组,将被测液体由储水罐中以恒定的流量输送至工作标准系统;然后通过标准表法和静态质量法检测被测液体流量;最后通过调整仪表系数自动校准被检流量计;本方法适用于粘稠液体流量自动检测,并且解决了流量精确快速检测的关键问题。
专利说明:
一种粘稠液体流量自动检测系统和方法
[0001] 技术领域
[0002] 本发明属于发明涉及自动控制技术领域,具体涉及一种粘稠液体流量自动检测系统和方法。
[0003] 背景技术
[0004] 液体流量计是工业计量中获取流体流量等原始信息的一大重要种类,被广泛应用在工业自动化领域中,是必不可少的环节。随着工业的不断进步,在整个工业检测仪表中,流量仪表使用的比重越来越大,并且发达国家的计量仪表业远远领先于发展中国家,尤其在一些工业生产中,要求流量的测量必须具备一定的精准度。且目前并没有一种流量仪表使用后不需要任何的校准而保持长期准确可靠地进行测量,流量仪表的性能测试、检定一直是当今国际上计量工作人员关注与研究的重难点。本专利从粘稠液体流量检测技术为基础,确定了自动检测的控制要求,并结合工艺过程,提出基于标准表法和静态质量法的一种粘稠液体流量自动检测系统和基于PID控制的自动检测方法。在对目前流量仪表计量的准确性,指挥生产,监控工艺,提高压裂施工现场精细化管理水平方面,都具有重要实际工程意义和使用价值。
[0005] 发明内容
[0006] 本发明的目的是为克服已有技术的不足,提出一种粘稠液体流量自动检测系统和方法。
[0007] 本发明提供了一种粘稠液体流量自动检测系统,其特征在于,包括流量生成系统、工作标准系统、控制管理系统三个子系统。流量生成系统由储水罐、离心水泵组、稳压器、变频控制器和管线组成,储水罐用于储存被测液体,通过管线与离心水泵组连接,离心水泵组上加装变频控制器和稳压器;工作标准系统由电子秤、标准表、开关阀和调节阀组成,被测液体经离心水泵组通过管线、开关阀、调节阀依次与标准表和电子秤连接,被测流量计安装在标准表和电子秤之间的管线中,完成检测后进入另一个储水罐;控制管理系统由上位机和可编程控制器组成,通过通信接口与离心水泵组、标准表、被测流量计和电子秤连接;被测液体由控制管理系统控制通过流量生成系统以恒定速度输送至工作标准系统中,通过采集标准表法的标准表、静态质量法的电子秤和被测流量计的脉冲数据进行检测校准。
[0008] 应用所述粘稠液体流量自动检测方法主要包括以下步骤:
[0009] 步骤1,将被测液体加入系统储水罐中,同时将被检流量计安装在工作标准系统中;
[0010] 步骤2,通过上位机和可编程控制器控制流量生成系统,由变频控制器控制离心水泵组,将被测液体由储水罐中以恒定的流量输送至工作标准系统;
[0011] 步骤3,对工作标准系统的标准流量计、被检流量计发送指令,通过标准表法检测被测液体流量,并采集标准表和被检表一定时间内的脉冲数集流量数据;
[0012] 步骤4,打开电子秤相应管道的开关阀,将流量调整至期望值,稳定一段时间后,换向器将被测液体切入称重容器,通过静态质量法检测被测液体流量,并触发光电开关采集脉冲数,采集完成后换向器将被测液体切出旁通管,自动打开底阀排水,排水完后自动关闭底阀,电子秤复零;
[0013] 步骤5,通过控制管理系统对检测过程中的温度、压力、标准流量计、被检流量计的流量信号和电子秤称得称重容器的标准质量值、换向器状态信号等数据进行采集和变换,以及检测系统当前运行的实时数据状态显示和计量检测数据的计算、存储和打印。
[0014] 优选的,步骤2中的恒定流量控制方式为:
[0015] 恒定流量的控制信号经过变频器之后,由管路中的标准流量计实时获得流量的4-20mA的电信号,然后可编程控制器的A/D模块将此信号读入并转化,再将此检测值与给定流量值进行比较,接着根据两者的偏差按PID控制算法进行运算,得到的数字信号会通过D/A转换成模拟信号,即进一步的调整信号,发给变频器来控制其输出频率,进而调整水泵电机转速使得流量进一步接近设定值;这样智能PID算法反复几次后便可以稳定在给定的工作流量点上,如图2 所示,该控制方式跟随性好,满足检定要求的控制精度。
[0016] 优选的,步骤3中标准表法的检测方式为:
[0017] 将标准表和被检流量计和被检流量计串联在同一口径的管路上,开启水泵,稳压装置,并调节流量到指定的流量值,待流量稳定后,同时对标准表和被检流量计的信号脉冲计数,测得在一定的时间间隔内标准流量计和被检流量计的脉冲数计数,便可以计算出被测流量计的第j次检测时检测流量点i的仪表系数Kij为:
[0018]

[0019] 式中:Ks为标准流量计的仪表系数;(Ns)ij为标准流量计流量检测点i第j 次检测时间内输出脉冲的累计数值;Nij为被检流量计流量检测点i第j次检测时间内输出脉冲的累计数值。
[0020] 优选的,步骤4中静态质量法的检测方式为:
[0021] 使装置处于正常工作状态,将换向器导向旁通管,在被检流量计的最大流量下运行10分钟,以排除积存在管道和流量计中的气泡;规定时间到后,调节流量至期望流量值,待压力、温度、流量稳定,启动换向器换至标准器开始注入液流,同时使计时器计时及流量计计脉冲数,当到达预定的时间或脉冲数,液流自动换入旁通管,同时停止计时;确定称量容器中的液体质量,记录被检流量计的脉冲数、计时器的时间t,时间t内流过被测流量计的累积体积流量计算公式:
[0022]

[0023] 式中:(Vs)ij为流量点i第j次检测到的标准器的累积体积流量;(Ms)ij为流量点i第j次检测时标准电子秤显示的液体质量值;ρs为称量容器中液体的密度;Cf为浮力修正系数。
[0024] 重复n次检测,调节流量至其他检测点,重复检测过程,直至结束,计算第j次检测时流量点i的仪表系数:
[0025]

[0026] 优选的,步骤5中控制管理系统的控制方式为:
[0027] 上位工控机的RS232串行端口通过连接RS232/RS485适配器与下位控制器通信连接并以极高的频率不断实现数据传输,实现上位工控机对下位机控制器检测过程调度的自动化和信息化。
[0028] 优选的,一种粘稠液体流量自动检测系统所述的可编程控制器为:
[0029] 选用西门子S7-300及配套模块,由于需要控制多个点数、实时采集各种数值和状态信号,而模块组合式可编程控制器可以根据各种顺序控制、过程控制等功能要求和实际情况动态地选择相应模块即可,通过配置A/D模块来接收 4~20mA标准信号;通过配置高速计数模块和外部电路设计可以实现对质量流量计等频率特别高的仪表不因程序扫描控制而出现滞后的脉冲计数;通过通信模块实时与上位机信息交互。
[0030] 优选的,一种粘稠液体流量自动检测系统所述的标准流量计为:
[0031] 4台科氏质量流量计,定点使用,流量范围为0~900m3/h,准确度0.15%、重复性0.06%,标准流量计将4~20mA电流环信号依次经过电阻、电容、瞬变电压抑制二级管等转换成稳定安全的1~5V电压信号,通过可编程控制器的A/D模块对其进行采集并变换为可编程控制器能够识别的数字信号,再通过RS485转 RS232上传到上位机进行数据分析和计算。
[0032] 优选的,一种粘稠液体流量自动检测系统所述的电子秤为:
[0033] 2台托利多电子秤,由秤体和框架组成,带传感器过载保护功能,带标准通讯接口(如RS485接口等),可连接至现场显示仪表终端或控制系统,具有自动去皮重功能。电子秤的实时4~20mA模拟电流信号通过RS485连续输出串口数据,并通过RS485转RS232适配器实现上位工控机软件自动获取结束和开始时数据并转换和记录称重值。
[0034] 本发明与现有技术相比,其有益的技术效果为:本系统将标准表法和静态质量法联合应用的整体设计思想付诸实践,对大部分口径的流量仪表可以通过标准表法进行快速检定,而对于一些精度较高的小口径流量仪表可以应用原始质量法进行检测,明显的检测效率较高。通过标准表法的优势,减小了静态质量法部分的规模,显著降低装置的建设成本,确保了可靠性。
[0035] 附图说明
[0036]
[0037] 图1是粘稠液体流量自动检测系统的原理图。
[0038] 图2是恒定流量控制原理图。
[0039] 图3是本发明的步骤流程图。
[0040] 具体实施方式
[0041] 一种粘稠液体流量自动检测系统,其特征在于,包括流量生成系统、工作标准系统、控制管理系统三个子系统。流量生成系统由储水罐、离心水泵组、稳压器、变频控制器和管线组成,储水罐用于储存被测液体,通过管线与离心水泵组连接,离心水泵组上加装变频控制器和稳压器;工作标准系统由电子秤、标准表、开关阀和调节阀组成,被测液体经离心水泵组通过管线、开关阀、调节阀依次与标准表和电子秤连接,被测流量计安装在标准表和电子秤之间的管线中,完成检测后进入另一个储水罐;控制管理系统由上位机和可编程控制器组成,通过通信接口与离心水泵组、标准表、被测流量计和电子秤连接;被测液体由控制管理系统控制通过流量生成系统以恒定速度输送至工作标准系统中,通过采集标准表法的标准表、静态质量法的电子秤和被测流量计的脉冲数据进行检测校准。
[0042] 应用所述粘稠液体流量自动检测方法主要包括以下步骤:
[0043] 步骤1,将被测液体加入系统储水罐中,同时将被检流量计安装在工作标准系统中;
[0044] 步骤2,通过上位机和可编程控制器控制流量生成系统,由变频控制器控制离心水泵组,将被测液体由储水罐中以恒定的流量输送至工作标准系统;
[0045] 具体是恒定流量的控制信号经过变频器之后,由管路中的标准流量计实时获得流量的4-20mA的电信号,然后可编程控制器的A/D模块将此信号读入并转化,再将此检测值与给定流量值进行比较,接着根据两者的偏差按PID控制算法进行运算,得到的数字信号会通过D/A转换成模拟信号,即进一步的调整信号,发给变频器来控制其输出频率,进而调整水泵电机转速使得流量进一步接近设定值;这样智能PID算法反复几次后便可以稳定在给定的工作流量点上,如图2所示,该控制方式跟随性好,满足检定要求的控制精度。
[0046] 步骤3,对工作标准系统的标准流量计、被检流量计发送指令,通过标准表法检测被测液体流量,并采集标准表和被检表一定时间内的脉冲数集流量数据;
[0047] 具体是将标准表和被检流量计和被检流量计串联在同一口径的管路上,开启水泵,稳压装置,并调节流量到指定的流量值,待流量稳定后,同时对标准表和被检流量计的信号脉冲计数,测得在一定的时间间隔内标准流量计和被检流量计的脉冲数计数,便可以计算出被测流量计的第j次检测时检测流量点i 的仪表系数Kij为:
[0048]

[0049] 式中:Ks为标准流量计的仪表系数;(Ns)ij为标准流量计流量检测点i第j 次检测时间内输出脉冲的累计数值;Nij为被检流量计流量检测点i第j次检测时间内输出脉冲的累计数值。
[0050] 步骤4,打开电子秤相应管道的开关阀,将流量调整至期望值,稳定一段时间后,换向器将被测液体切入称重容器,通过静态质量法检测被测液体流量,并触发光电开关采集脉冲数,采集完成后换向器将被测液体切出旁通管,自动打开底阀排水,排水完后自动关闭底阀,电子秤复零;
[0051] 具体是使装置处于正常工作状态,将换向器导向旁通管,在被检流量计的最大流量下运行10分钟,以排除积存在管道和流量计中的气泡;规定时间到后,调节流量至期望流量值,待压力、温度、流量稳定,启动换向器换至标准器开始注入液流,同时使计时器计时及流量计计脉冲数,当到达预定的时间或脉冲数,液流自动换入旁通管,同时停止计时;确定称量容器中的液体质量,记录被检流量计的脉冲数、计时器的时间t,时间t内流过被测流量计的累积体积流量计算公式:
[0052]

[0053] 式中:(Vs)ij为流量点i第j次检测到的标准器的累积体积流量;(Ms)ij为流量点i第j次检测时标准电子秤显示的液体质量值;ρs为称量容器中液体的密度;Cf为浮力修正系数。
[0054] 重复n次检测,调节流量至其他检测点,重复检测过程,直至结束,计算第j次检测时流量点i的仪表系数:
[0055]

[0056] 步骤5,通过控制管理系统对检测过程中的温度、压力、标准流量计、被检流量计的流量信号和电子秤称得称重容器的标准质量值、换向器状态信号等数据进行采集和变换,以及检测系统当前运行的实时数据状态显示和计量检测数据的计算、存储和打印。
[0057] 具体上位工控机的RS232串行端口通过连接RS232/RS485适配器与下位控制器通信连接并以极高的频率不断实现数据传输,实现上位工控机对下位机控制器检测过程调度的自动化和信息化。
[0058] 一种粘稠液体流量自动检测系统所述的可编程控制器为:西门子S7-300 及配套模块,由于需要控制多个点数、实时采集各种数值和状态信号,而模块组合式可编程控制器可以根据各种顺序控制、过程控制等功能要求和实际情况动态地选择相应模块即可,通过配置A/D模块来接收4~20mA标准信号;通过配置高速计数模块和外部电路设计可以实现对质量流量计等频率特别高的仪表不因程序扫描控制而出现滞后的脉冲计数;通过通信模块实时与上位机信息交互。
[0059] 一种粘稠液体流量自动检测系统所述的标准流量计为:4台科氏质量流量计,定点使用,流量范围为0~900m3/h,准确度0.15%、重复性0.06%,标准流量计将 4~20mA电流环信号依次经过电阻、电容、瞬变电压抑制二级管等转换成稳定安全的1~5V电压信号,通过可编程控制器的A/D模块对其进行采集并变换为可编程控制器能够识别的数字信号,再通过RS485转RS232上传到上位机进行数据分析和计算。
[0060] 一种粘稠液体流量自动检测系统所述的电子秤为:2台托利多电子秤,由秤体和框架组成,带传感器过载保护功能,带标准通讯接口(如RS485接口等),可连接至现场显示仪表终端或控制系统,具有自动去皮重功能。电子秤的实时 4~20mA模拟电流信号通过RS485连续输出串口数据,并通过RS485转RS232适配器实现上位工控机软件自动获取结束和开始时数据并转换和记录称重值。
[0061] 以上对本发明进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的表明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本表明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求:1.一种粘稠液体流量自动检测系统,其特征在于,该系统包括流量生成系统、工作标准系统、控制管理系统三个子系统,流量生成系统由储水罐、离心水泵组、稳压器、变频控制器和管线组成,储水罐用于储存被测液体,通过管线与离心水泵组连接,离心水泵组上加装变频控制器和稳压器;工作标准系统由电子秤、标准表、开关阀和调节阀组成,被测液体经离心水泵组通过管线、开关阀、调节阀依次与标准表和电子秤连接,被测流量计安装在标准表和电子秤之间的管线中,完成检测后进入另一个储水罐;控制管理系统由上位机和可编程控制器组成,通过通信接口与离心水泵组、标准表、被测流量计和电子秤连接;被测液体由控制管理系统控制通过流量生成系统以恒定速度输送至工作标准系统中,通过采集标准表法的标准表、静态质量法的电子秤和被测流量计的脉冲数据进行检测校准。
2.一种粘稠液体流量自动检测方法,其特征在于,主要包括以下步骤:
步骤1,将被测液体加入系统储水罐中,同时将被检流量计安装在工作标准系统中;
步骤2,通过上位机和可编程控制器控制流量生成系统,由变频控制器控制离心水泵组,将被测液体由储水罐中以恒定流量输送至工作标准系统;
步骤3,对工作标准系统的标准流量计、被检流量计发送指令,通过标准表法检测被测液体流量,并采集标准表和被检表一定时间内的脉冲数集流量数据;
步骤4,打开电子秤相应管道的开关阀,将流量调整至期望值,稳定一段时间后,换向器将被测液体切入称重容器,通过静态质量法检测被测液体流量,并触发光电开关采集脉冲数,采集完成后换向器将被测液体切出旁通管,自动打开底阀排水,排水完后自动关闭底阀,电子秤复零;
步骤5,通过控制管理系统对检测过程中的温度、压力、标准流量计、被检流量计的流量信号和电子秤称得称重容器的标准质量值、换向器状态信号等数据进行采集和变换,以及检测系统当前运行的实时数据状态显示和计量检测数据的计算、存储和打印。
3.如权利要求2所述的粘稠液体流量自动检测方法,其特征在于,
步骤2中所述的恒定流量控制方式为:恒定流量的控制信号经过变频器之后,由管路中的标准流量计实时获得流量的4-20mA的电信号,然后可编程控制器的A/D模块将此信号读入并转化,再将此检测值与给定流量值进行比较,接着根据两者的偏差按PID控制算法进行运算,得到的数字信号会通过D/A转换成模拟信号,即进一步的调整信号,发给变频器来控制其输出频率,进而调整水泵电机转速使得流量进一步接近设定值;这样智能PID算法反复几次后便可以稳定在给定的工作流量点上。
4.如权利要求2所述的粘稠液体流量自动检测方法,其特征在于:
步骤3中标准表法检测的方式为:将标准表和被检流量计和被检流量计串联在同一口径的管路上,开启水泵,稳压装置,并调节流量到指定的流量值,待流量稳定后,同时对标准表和被检流量计的信号脉冲计数,测得在一定的时间间隔内标准流量计和被检流量计的脉冲数计数,便可以计算出被测流量计的第j次检测时检测流量点i的仪表系数Kij为:
式中:Ks为标准流量计的仪表系数;(Ns)ij为标准流量计流量检测点i第j次检测时间内输出脉冲的累计数值;Nij为被检流量计流量检测点i第j次检测时间内输出脉冲的累计数值。
5.如权利要求2所述的粘稠液体流量自动检测方法,其特征在于,
步骤4中静态质量法的检测方式为:使装置处于正常工作状态,将换向器导向旁通管,在被检流量计的最大流量下运行10分钟,以排除积存在管道和流量计中的气泡;规定时间到后,调节流量至期望流量值,待压力、温度、流量稳定,启动换向器换至标准器开始注入液流,同时使计时器计时及流量计计脉冲数,当到达预定的时间或脉冲数,液流自动换入旁通管,同时停止计时;确定称量容器中的液体质量,记录被检流量计的脉冲数、计时器的时间t,时间t内流过被测流量计的累积体积流量计算公式:
式中:(Vs)ij为流量点i第j次检测到的标准器的累积体积流量;(Ms)ij为流量点i第j次检测时标准电子秤显示的液体质量值;ρs为称量容器中液体的密度;Cf为浮力修正系数。
重复n次检测,调节流量至其他检测点,重复检测过程,直至结束,计算第j次检测时流量点i的仪表系数:
6.如根据权利要求2所述的粘稠液体流量自动检测方法,其特征在于,
步骤5中控制管理系统的控制方式为:上位工控机的RS232串行端口通过连接RS232/RS485适配器与下位控制器通信连接并以极高的频率不断实现数据传输,实现上位工控机对下位机控制器检测过程调度的自动化和信息化。
公开号:CN110608788
申请号:CN201910868367.8A
发明人:何静 张昌凡 孙晓
申请人:湖南工业大学
申请日:2019-09-12
公开日:2019-12-24
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