WQJS型智能氣量積算儀及其應用

WQJS型智能氣量積算儀及其應用

宜賓機電一體化研究所  

WQJS型積算研制于1990年，從1991年開始投放使用。是在川西南礦區及管理局技監處的合作與支持下研制成功的。當時，希望出現一種能支持取代雙波紋差壓計可以在環境條件較差（包括供電環境）的地方運行的流量計算機；強調可靠、準確、實用。在各礦區尤其是重慶氣礦支持下產品發展到Ⅳ型；可靠性、實用性越來越高。用于單井計量優越性尤為顯著。
一、積算儀原理介紹
WQJS積算儀是一臺監測兩氣路的單板式流量計算機；整機計量示值誤差（接收4～20mA電流信號時）0.3％；積算儀配置有專用UPS電源，交流停電接續時間（標配）為20小時；積算儀還支持液晶漢字顯示、微打（或窄行針打）；數據存儲量：對Ⅲ型機為2月內日產；對Ⅳ型機半年內的每15分鐘工況及日產；WQJS積算儀 Ⅳ型機支持以太網、RS485等方式組織數據遠傳。隨著每級上升改進也在不斷增強，到Ⅳ型機為止，與WQJS鍵盤輸入已改為漢字菜單，使用更方便；增加了漏失計量補償(包括樣表、清洗孔板、人工補償)；設置了小差壓切除等重要功能；而且很大程度擴大數據存儲能力，可記錄每15分鐘平均工況值及日產量達半年以上；可靈活的配置各型打印機。可以方便地實現數據遠傳。
WQJS適用于作GB/T 18603規定的B、C級計量站配置。
1、計量原理：
在天然氣標準孔板流量計量系統中WQJS主要充任流量的工況分析、流量計算兩大功能。
1）、工況分析
所謂工況分析是指：積算儀采集現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）設定工況值進行報警指示。
有用信號是指4～20mA范圍內的有效量值。這些量值被采集后，通過當量轉換成為現場差壓、壓力和溫度供流量計算用。
不可用信號是指計量系統采集回路因干擾產生的不可使用量值，一般為偏離當前值太遠的數值。在過程控制中用所謂“濾波”方法加以剔除。對實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”；對實時性沒有要求的采用“以前量95％＋當前量5％的平滑濾波”。
工況報警，在WQJS中已設有超流量90％（出廠時）報警。也可以擴展節流裝置處壓力量限報警。
2）、流量計算
包括瞬時流量計算與累計流量計算。
在工況分析過程中，WQJS所采集工況皆為每一瞬時值，以此計算出的流量當然為當時的瞬時流量。將每瞬時的漢量值對時間積分，即累計成了測量的流量。
WQJS對瞬時流量是按SY/T 6143標準規定的數學模型進行計算。計算結果是以秒為單位的瞬時流量值。WQJS對流量計算先必須正確收存三類數據：
① 節流裝置（流量傳感器）有關參數，它們是：
   測量管內徑D
標準孔板孔徑d
   測量管線脹系數D∧
孔板線脹系數d∧
   測量管內壁粗糙壓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，按SY/T 6143要求為：
   天然氣的相對真實密度Gr
   天然氣中二氧化碳摩爾分數MC
   天然氣中氮氣摩爾分數Mn
③ 氣體流動工況數據：
   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是從鍵盤輸入計算機中儲存在不可丟掉數據區中，供隨時調用。③工況數據是實時采集到的量值，得到工況數據之后WQJS先進行中間參數的計算，它們是流出系數C、漸近系數E、可膨脹性系數ε、流動溫度系數FT、密度系數FG、超壓縮系數FZ等，然后按按SY/T 6143規定的實用公式：

Qn=3.1794×10－6CεEd2FGFTFZ√P1ΔP

計算出標準狀態下的體積流量。最后進行因孔板入口邊緣尖銳壓及測量管內壁粗糙壓

偏離標準的修正計算  

Qn= Qn′×bk×Rre   (實質是對流出系數的修正)

WQJS每秒鐘內完成一次數據采集與流量計算過程。WQJS設計有精度為0.01％的秒時鐘電路以保證累計結果的準確性。
2、工作原理
1）、電路工作原理
WQJS在結構上具有過程控制計算機的基本組成，它們是如下三部分。
單板計算機其功能，即包括：
CPU運算單位、數據存儲單元、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轉換單元、A/D轉換單元等 數據采集結構；
供電電源包括：
交－直轉換、機內電路供電、蓄電池充電及放電切換

如圖1，現場儀表的4～20mA電流經回流柵（保護輸入）到1/V轉換電路變轉換0.4～2V電壓，由A/D轉換電路再轉換成為計算機可認別的數字量。計算機進行運算處理后顯示輸出流量值。
2）保證計量準確可靠的結構措施
要做到計量的準確可靠，WQJS當作一臺數據處理機看待，設計了適應的若干抗干擾措施與容錯、糾錯能力以保證所獲數據，計算數據以及保存和送顯的數據的準確可靠；僅如此 還不夠，WQJS又被視為計量系統的部分把它當作計量設備。因此需要保證計量準確性的精度分配。從電路結構看，有輸入精度即從4～20mA轉換為對應數字量的準確值；有運算精度，即符合SY/T 6143計算結果的程度；有計算分割時間（瞬間）精度及精度累計時間等三方面的精度分配，這當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轉換，及A/D轉換三個環節，對于A/D轉換易于被人看重，在部分產品中有提出指標如十二位，十六精度等 ，對于WQJSⅢ型為14位（十進制4位半等于現場用標準器精度），Ⅳ型為16位(相當于十進制5位半標準器)，WQJSⅢ型的A/D轉換精度優于0.2％，以保證0.3％，Ⅳ型的A/D轉換優于0.1％以保證0.2％。輸入的另兩個環節對計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，因此一般用嵌位電壓與瞬態吸收功率表示。它本來對信號的轉換不起作用，但從試驗知道，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轉換作用是把現場輸入的4～20mA電流值轉換成A/D電路可認別的1～5V或其他范圍的電壓值，這當然涉及到轉換量的準確程度，在過程控制專業中把這一電路稱作信號調理，搞數據處理的人一般不會特別在意轉換精度，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理模塊，一般隔離器給了0.2％的轉換指標。實際中大多超過此值甚至有達1％的，因此WQJS從設計之初就認真研究的這個問題，舍去了這一“方便”的技術方案，而采用溫度穩定性在10PPm/℃的精密電阻作1/V轉換，Ⅲ型機加入了可調環節可使精度優于0.01％，在Ⅳ型機中采用0.02％固定式1/V轉換。這一做法在實踐中為信號正確轉換，與系統精度的保證提供了較好保證，達到了GB/T 18603關于計量系統可靠性與校準要求。
在保證準確可靠方面WQJS的供電系統也是功不可抹的。在WQJS多次升級改造中供電系統都是首當其沖，目的在于建立起高抗干擾的屏障，WQJS產品從Ⅱ型機開始使用的被稱為“集散式”的電源系統，在去年的一個全國性電子技術雜文志上被一軍工項目作為

抗干擾措施加以介紹，其電路結構與WQJS電源幾乎完全一樣。在這套電源系統中我們又優選了一種進口電源模塊，因此不單表現了很高的抗干擾能力，而且表現出了高的運行可靠性。
二、WQJS積算儀的安裝與使用
1、安裝
安裝環境要求，在0℃～45℃環境溫度    30％～90％HR濕度  有180V～250V交流供電的非爆炸環境中。
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已在機內安裝了防爆關聯設備(安全柵)向現場變送器提供24V 30mA（最大）本安電流，信號線輸入也已設置回流保護柵，因此支持現場本安儀表使用，信號線輔設也只需考慮機械強度與防鼠害即可。
對于WQJS的安裝著重介紹接地及防雷要求，這也是對WQJS所屬計量系統的要求與措施。
1）關于接地
在WQJS計量系統中涉及如下接地：
?WQJS邏輯地（機內直流工作地）
?交流電源工作地（220伏零線）
?信號屏敝接地10Ω
?設備保護地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伏零線是在發電設備處接大地，不需在使用端接大地（接地可能造成機殼與火線串接發生危險）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分別達到對地電阻要求。
WQJS采用混合接地方式按GB/T 18603要求為1Ω，根據有關資料在4Ω以下即可。
WQJS為用戶配置了“接地樁”及接地銅排，方便與有關接地點連接。
WQJS機箱的保護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，接地點是三芯插頭的中間頭。
防爆接地是疏導變送器外殼的感應靜電用，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）關于防雷
在WQJS涉及的計量系統中可能涉及的雷擊有“本地（直接）雷擊”“感應雷擊”兩種。對于《本地雷》目前無法可防。
WQJS所處計量環境，“感應雷擊”來自兩個方向，一是交流電網；二是輸氣管道。對于“感應雷擊”的防止措施無非是隔離或疏導。WQJS是這樣處理的：
⑴ 來自交流電網“感應雷擊”的防止
WQJS是一種相對簡單的系統，因此防交流電網感應雷引入的推薦方法之一是建議采用雙刀雙擲閘刀開關（或鐵殼開關）引入電源，在有雷閃預兆時，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，這種具有繼電保護功能的配電箱電路中串入進口防雷模塊，它采用部分阻擋部分疏導的辦法防止感應雷電的襲擊。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雷傳輸導體，實踐證明輸氣管道傳輸的雷擊能損壞變送器且能通過信號線破壞后端設備。
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，切斷導壓管與變送器的導電連接以及管道的金屬連接。
對于WQJS更可靠的防雷保護，在信號線輸入端再接入“儀表防雷模塊”，這可防止在站內避雷系統疏導雷地電時在埋地信號線上感應的感雷電壓破壞。
通過以上辦法，在WQJS所處計量系統中實現了可靠的防爆、防雷以及安全保護。
2、使用與維護
WQJS積算儀自身使用比較簡單，送入節流裝置參數、氣體組分以及變送器對應量程值，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積算儀計量系統，還應在投入運行之初仔細觀察計量系統中的各個環節，不能泄漏，（包括內漏與外漏），變送器量程最好能使期運行范圍在30％～90％之間，經過試運行確認運行參數合理，沒有影響真實計量的因素之后，才正式啟表使用。WQJS參數的輸入很簡單，WQJSⅢ型使用一個4×4小鍵盤，參數輸入僅使用一個鍵連續送入即可。WQJSⅣ使用計算機小鍵盤，使用六個功能鍵，按顯示菜單進行人機對話即可。
日常維護保養注意以下幾點：
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WQJS自耗電至關機再開啟交流電即可，堅持這種維護作業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≤1Ω（至少≤4Ω）。
⑶、環境條件好一點的每半年，差的每三月，用柔軟毛刷仔細掃除機內每電路板上的灰塵，此操作應關機進行。
⑷、使用微打的WQJS每半年或一年用酒精擦洗打印機走紙膠輪一次，去除運行過程中護作在上面的紙纖維，以增加走紙摩擦力。
⑸、環境條件較差有輕微腐蝕的地方發現機內外接插件有發黑現象時，應急時請求制造單位協助更換，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。現場故障多為計量系統關聯性故障，要多從各環節上分析處理。