WQJS型智能气量积算仪及其应用

WQJS型智能气量积算仪及其应用

宜宾机电一体化研究所  

WQJS型积算研制于1990年，从1991年开始投放使用。是在川西南矿区及管理局技监处的合作与支持下研制成功的。当时，希望出现一种能支持取代双波纹差压计可以在环境条件较差（包括供电环境）的地方运行的流量计算机；强调可靠、准确、实用。在各矿区尤其是重庆气矿支持下产品发展到Ⅳ型；可靠性、实用性越来越高。用于单井计量优越性尤为显著。
一、积算仪原理介绍
WQJS积算仪是一台监测两气路的单板式流量计算机；整机计量示值误差（接收4～20mA电流信号时）0.3％；积算仪配置有专用UPS电源，交流停电接续时间（标配）为20小时；积算仪还支持液晶汉字显示、微打（或窄行针打）；数据存储量：对Ⅲ型机为2月内日产；对Ⅳ型机半年内的每15分钟工况及日产；WQJS积算仪 Ⅳ型机支持以太网、RS485等方式组织数据远传。随着每级上升改进也在不断增强，到Ⅳ型机为止，与WQJS键盘输入已改为汉字菜单，使用更方便；增加了漏失计量补偿(包括样表、清洗孔板、人工补偿)；设置了小差压切除等重要功能；而且很大程度扩大数据存储能力，可记录每15分钟平均工况值及日产量达半年以上；可灵活的配置各型打印机。可以方便地实现数据远传。
WQJS适用于作GB/T 18603规定的B、C级计量站配置。
1、计量原理：
在天然气标准孔板流量计量系统中WQJS主要充任流量的工况分析、流量计算两大功能。
1）、工况分析
所谓工况分析是指：积算仪采集现场由变送器传送来的差压、压力与温度值。采信有用信号、剔除不可用信号、对流量（或压力）设定工况值进行报警指示。
有用信号是指4～20mA范围内的有效量值。这些量值被采集后，通过当量转换成为现场差压、压力和温度供流量计算用。
不可用信号是指计量系统采集回路因干扰产生的不可使用量值，一般为偏离当前值太远的数值。在过程控制中用所谓“滤波”方法加以剔除。对实时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滤波”；对实时性没有要求的采用“以前量95％＋当前量5％的平滑滤波”。
工况报警，在WQJS中已设有超流量90％（出厂时）报警。也可以扩展节流装置处压力量限报警。
2）、流量计算
包括瞬时流量计算与累计流量计算。
在工况分析过程中，WQJS所采集工况皆为每一瞬时值，以此计算出的流量当然为当时的瞬时流量。将每瞬时的汉量值对时间积分，即累计成了测量的流量。
WQJS对瞬时流量是按SY/T 6143标准规定的数学模型进行计算。计算结果是以秒为单位的瞬时流量值。WQJS对流量计算先必须正确收存三类数据：
① 节流装置（流量传感器）有关参数，它们是：
   测量管内径D
标准孔板孔径d
   测量管线胀系数D∧
孔板线胀系数d∧
   测量管内壁粗糙压K
孔板入口边缘尖锐度半径Rk(或孔板工作年限)
② 气体组分参数，按SY/T 6143要求为：
   天然气的相对真实密度Gr
   天然气中二氧化碳摩尔分数MC
   天然气中氮气摩尔分数Mn
③ 气体流动工况数据：
   差压Pa  压力M Pa     温度    ℃

[ 本帖最后由 chcatch 于 2007-8-1 10:27 编辑 ]

①、②是从键盘输入计算机中储存在不可丢掉数据区中，供随时调用。③工况数据是实时采集到的量值，得到工况数据之后WQJS先进行中间参数的计算，它们是流出系数C、渐近系数E、可膨胀性系数ε、流动温度系数FT、密度系数FG、超压缩系数FZ等，然后按按SY/T 6143规定的实用公式：

Qn=3.1794×10－6CεEd2FGFTFZ√P1ΔP

计算出标准状态下的体积流量。最后进行因孔板入口边缘尖锐压及测量管内壁粗糙压

偏离标准的修正计算  

Qn= Qn′×bk×Rre   (实质是对流出系数的修正)

WQJS每秒钟内完成一次数据采集与流量计算过程。WQJS设计有精度为0.01％的秒时钟电路以保证累计结果的准确性。
2、工作原理
1）、电路工作原理
WQJS在结构上具有过程控制计算机的基本组成，它们是如下三部分。
单板计算机其功能，即包括：
CPU运算单位、数据存储单元、显示单元、打印单元以及键盘等；
过程控制所需的接口单元，是：
1/V转换单元、A/D转换单元等 数据采集结构；
供电电源包括：
交－直转换、机内电路供电、蓄电池充电及放电切换

如图1，现场仪表的4～20mA电流经回流栅（保护输入）到1/V转换电路变转换0.4～2V电压，由A/D转换电路再转换成为计算机可认别的数字量。计算机进行运算处理后显示输出流量值。
2）保证计量准确可靠的结构措施
要做到计量的准确可靠，WQJS当作一台数据处理机看待，设计了适应的若干抗干扰措施与容错、纠错能力以保证所获数据，计算数据以及保存和送显的数据的准确可靠；仅如此 还不够，WQJS又被视为计量系统的部分把它当作计量设备。因此需要保证计量准确性的精度分配。从电路结构看，有输入精度即从4～20mA转换为对应数字量的准确值；有运算精度，即符合SY/T 6143计算结果的程度；有计算分割时间（瞬间）精度及精度累计时间等三方面的精度分配，这当中输入精度与时间精度是主要的。
影响输入精度有回流栅，1/V转换，及A/D转换三个环节，对于A/D转换易于被人看重，在部分产品中有提出指标如十二位，十六精度等 ，对于WQJSⅢ型为14位（十进制4位半等于现场用标准器精度），Ⅳ型为16位(相当于十进制5位半标准器)，WQJSⅢ型的A/D转换精度优于0.2％，以保证0.3％，Ⅳ型的A/D转换优于0.1％以保证0.2％。输入的另两个环节对计量精度也有很大影响，容易被人忽略：回流栅，在电路中是起过压或波涌保护，因此一般用嵌位电压与瞬态吸收功率表示。它本来对信号的转换不起作用，但从试验知道，回流栅的漏电流对信号量值有影响，必须＜6μA，WQJS提供的回流栅漏电流≤1μA，外购配套的防雷模块漏电流＜6μA。1/V转换作用是把现场输入的4～20mA电流值转换成A/D电路可认别的1～5V或其他范围的电压值，这当然涉及到转换量的准确程度，在过程控制专业中把这一电路称作信号调理，搞数据处理的人一般不会特别在意转换精度，而只取其隔离性能以防止外信号在传输过程中引入的干扰。这个电路简单的处理是选用早期称配电器，后来叫隔离器的信号调理模块，一般隔离器给了0.2％的转换指标。实际中大多超过此值甚至有达1％的，因此WQJS从设计之初就认真研究的这个问题，舍去了这一“方便”的技术方案，而采用温度稳定性在10PPm/℃的精密电阻作1/V转换，Ⅲ型机加入了可调环节可使精度优于0.01％，在Ⅳ型机中采用0.02％固定式1/V转换。这一做法在实践中为信号正确转换，与系统精度的保证提供了较好保证，达到了GB/T 18603关于计量系统可靠性与校准要求。
在保证准确可靠方面WQJS的供电系统也是功不可抹的。在WQJS多次升级改造中供电系统都是首当其冲，目的在于建立起高抗干扰的屏障，WQJS产品从Ⅱ型机开始使用的被称为“集散式”的电源系统，在去年的一个全国性电子技术杂文志上被一军工项目作为

抗干扰措施加以介绍，其电路结构与WQJS电源几乎完全一样。在这套电源系统中我们又优选了一种进口电源模块，因此不单表现了很高的抗干扰能力，而且表现出了高的运行可靠性。
二、WQJS积算仪的安装与使用
1、安装
安装环境要求，在0℃～45℃环境温度    30％～90％HR湿度  有180V～250V交流供电的非爆炸环境中。
WQJS的接线连接很简单，按使用说明书将3或6对变送器接入信号及电源插头的接线端子即可。
WQJS已在机内安装了防爆关联设备(安全栅)向现场变送器提供24V 30mA（最大）本安电流，信号线输入也已设置回流保护栅，因此支持现场本安仪表使用，信号线辅设也只需考虑机械强度与防鼠害即可。
对于WQJS的安装着重介绍接地及防雷要求，这也是对WQJS所属计量系统的要求与措施。
1）关于接地
在WQJS计量系统中涉及如下接地：
•WQJS逻辑地（机内直流工作地）
•交流电源工作地（220伏零线）
•信号屏敝接地10Ω
•设备保护地4Ω
•防爆接地100Ω
•防雷接地10Ω
WQJS逻辑地为“浮空地”它要求不接入大地，交流220伏零线是在发电设备处接大地，不需在使用端接大地（接地可能造成机壳与火线串接发生危险）要求遵守《右0右火》原则，除此以外上述四种地均要求可靠接大地且应分别达到对地电阻要求。
WQJS采用混合接地方式按GB/T 18603要求为1Ω，根据有关资料在4Ω以下即可。
WQJS为用户配置了“接地桩”及接地铜排，方便与有关接地点连接。
WQJS机箱的保护接地是通过三芯电源线从插座中引出，如配用了DP1-1防雷配电箱则将电源线直接插入配电箱插座也可，在配电箱中汇入接地排，若自备交流电源则需处理安全接地，接地点是三芯插头的中间头。
防爆接地是疏导变送器外壳的感应静电用，在WQJS信号线的处理中要求使用3芯电缆，其中之一芯便可用于防爆接地。
交流防雷、仪表防雷接地是从防雷模块中的接地点引出的分别与接地铜排压接。
WQJS的信号屏敝接地是用接地铜排压紧信号线屏敝层的办法处理的，对于常用铠装电线的信号线要求屏敝铜薄刮净烫焊处理。
2）关于防雷
在WQJS涉及的计量系统中可能涉及的雷击有“本地（直接）雷击”“感应雷击”两种。对于《本地雷》目前无法可防。
WQJS所处计量环境，“感应雷击”来自两个方向，一是交流电网；二是输气管道。对于“感应雷击”的防止措施无非是隔离或疏导。WQJS是这样处理的：
⑴ 来自交流电网“感应雷击”的防止
WQJS是一种相对简单的系统，因此防交流电网感应雷引入的推荐方法之一是建议采用双刀双掷闸刀开关（或铁壳开关）引入电源，在有雷闪预兆时，切断电源以切断雷电袭击源。这是一种人工辅助的隔离方案。另一办法是采用与WQJS配套的DP1-1交流防雷配电箱，这种具有继电保护功能的配电箱电路中串入进口防雷模块，它采用部分阻挡部分疏导的办法防止感应雷电的袭击。这是不需人工介入的，但必须要可靠接地，否则阻挡后的残余电压仍可损坏电子器件。
⑵ 来自输气管道“感应雷击”的防止
‘输气管道埋地已接大地’这个观念是不正确的，至少不可靠的“接地”管道仍然是一个良好的感应雷传输导体，实践证明输气管道传输的雷击能损坏变送器且能通过信号线破坏后端设备。
WQJS推荐采用隔离防止方案，并为此提供了FLJ2-1变送器防雷安装架，这套安装架采用绝缘－隔离的办法，切断导压管与变送器的导电连接以及管道的金属连接。
对于WQJS更可靠的防雷保护，在信号线输入端再接入“仪表防雷模块”，这可防止在站内避雷系统疏导雷地电时在埋地信号线上感应的感雷电压破坏。
通过以上办法，在WQJS所处计量系统中实现了可靠的防爆、防雷以及安全保护。
2、使用与维护
WQJS积算仪自身使用比较简单，送入节流装置参数、气体组分以及变送器对应量程值，再连接好电源线及信号便可以开始使用。对于最初使用的WQJS积算仪计量系统，还应在投入运行之初仔细观察计量系统中的各个环节，不能泄漏，（包括内漏与外漏），变送器量程最好能使期运行范围在30％～90％之间，经过试运行确认运行参数合理，没有影响真实计量的因素之后，才正式启表使用。WQJS参数的输入很简单，WQJSⅢ型使用一个4×4小键盘，参数输入仅使用一个键连续送入即可。WQJSⅣ使用计算机小键盘，使用六个功能键，按显示菜单进行人机对话即可。
日常维护保养注意以下几点：
⑴、每两月，最好每月对蓄电池“全放全充”一次。就是切断交流电源，让WQJS自耗电至关机再开启交流电即可，坚持这种维护作业可使蓄电池寿命大大延长。
⑵、至少每半年检查，特别是冬末春初之际检查地电阻应≤1Ω（至少≤4Ω）。
⑶、环境条件好一点的每半年，差的每三月，用柔软毛刷仔细扫除机内每电路板上的灰尘，此操作应关机进行。
⑷、使用微打的WQJS每半年或一年用酒精擦洗打印机走纸胶轮一次，去除运行过程中护作在上面的纸纤维，以增加走纸摩擦力。
⑸、环境条件较差有轻微腐蚀的地方发现机内外接插件有发黑现象时，应急时请求制造单位协助更换，以免影响接触可靠性。
WQJS故障处理一般都采用电路组件板整块更换。现场故障多为计量系统关联性故障，要多从各环节上分析处理。