可在线自动标定的注水流量自控装置及标定方法与流程

本发明涉及油田数字化自控设备技术领域，更具体的说是涉及一种可在线自动标定的注水流量自控装置及标定方法。

背景技术：

当前，在石油开采过程中，为了自动控制日注水量为设计的日配注量，智能控制注水装置得到广泛的应用，但是，由于注水压力高，回注水质差，且连续作业，导致智能控制所用的流量传感器或流量计准确度不断降低，导致流量自控仪所控制、显示的注水流量与实际值偏差越来越大，因此，实际中需要定期对流量示值与标准仪器进行点检，一旦偏差过大，对现场用户来说往往无能为力，需通知售后处理或专业技术人员重新标定、维修或换新，而且一般都要先停注并泄压，再拆下流量传感器或流量计，这样既影响了注水工作，也造成人力及资源浪费。实际上，现在的智能仪表，仅仅准确度超差，多数可以直接通过再次标定提高准确度或更换易损的传感件后重新标定使用，只是需要具备一定专业知识的人来完成。

因此，研究出一种流量自控装置，使主控仪器能够具备允许用户通过简单易行的方法在现场对准确度超标的流量计进行在线重新标定的功能，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可在线自动标定的注水流量自控装置及标定方法，用户可通过简单易行的方法在现场或远程对准确度超标的流量计进行在线重新标定，从而提高了仪器控制精度，延长了装置使用寿命或在更换易损的传感部件后直接标定继续使用。该装置极大的方便了用户，减少了停注时间，并显著降低了使用及维护成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可在线自动标定的注水流量自控装置，该装置安装于注水管路上，包括流量自控仪主机、电动执行器、流量调节阀、工作流量计、直管段、电源以及在校准时接入的标准流量计，其中，

流量自控仪主机与电动执行器、工作流量计、标准流量计及电源之间均存在电气连接，直管段的首端与现场注水主干管分支相连，尾端与流量调节阀介质入口相接；流量调节阀介质出口与现场注水配水管连接；流量调节阀与电动执行器的底座固定连接，其阀杆与电动执行器的调节输出机构活动连接并接受电动执行器的正反向调节；直管段上靠近流量调节阀的尾端安装工作流量计；在校准时，直管段外部夹有标准流量计的流量传感探头。

本发明一种可在线自动标定的注水流量自控装置适用于单独或联网使用，该发明装置不仅在制造时可实现自动标定，提高生产效率，而且在用户角度，既能够保证控制注水流量达到设定的日配注量，方便日常流量比对，也可在装置准确度超标后，直接现场对标定系数进行重新标定，既使流量控制准确度恢复到要求的等级，又不需要显著增加仪器成本，而且不具备计量知识的普通工人也可以方便地在现场操作完成，这样不仅减轻或省掉了校验人员的工作量及强度，而且延长了装置寿命，减少了拆装存在的安全隐患。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，流量自控仪主机包括设于外部起保护作用的壳体、设于壳体上用于进行操控的键盘机构以及设于壳体内部起到控制作用的控制电路板。

优选的，控制电路板包括流量控制及流量计自动校准微控制器，以及与该微控制器存在电气连接的至少3组rs485通信接口或者至少2组rs485通信接口加一组rs232接口、执行器开度读取接口、阀门调节信号输出电路及输出口、供电电路以及键盘连接口、液晶显示器连接口。

具体的，流量自控仪主机通过一组rs485通信接口与工作流量计通讯，读取瞬时流量、累计流量，另一组rs485通信接口用于校准时与标准流量计通信，至少读取瞬时流量，还可通过第3组rs485通信接口与现场rtu连接，以便实现远程联网通信，所有接口应是固定的、对应的。当采用的标准流量计只有rs232通信功能时，前述的1组rs485接口电路不装，选装rs232接口电路，以降低硬件成本。

执行器开度读取接口为4-20ma输入接口及a/d转换电路，用于反馈电动执行器及阀门当前开度位置信号。

阀门调节信号输出电路及输出口用于输出满足执行器电压与持续时间要求的关阀或开阀脉冲信号。

供电电路及输入口用于连接电源提供工作电压。

流量自控仪主机上安装有应用软件，用于控制流量自控仪主机按程序工作。

优选的，控制电路板还包括预留的至少两路4-20ma输入接口及a/d转换电路元器件安装布局供选装，例如，可视需要增加2路压力变送器4-20mma信号输入接口连接智能压力表，用于需要安装干压与配注压力的场合，以输入压力变送器标准输出信号。

优选的，流量自控仪主机上的键盘机构为仪表控制面板形式，控制面板有“模式”键能够选择主机进入手动模式、自动工作模式、校准模式，设有指示灯指示当前工作模式；有“设置”键能够进入设置主菜单与子菜单；此外还应有数字加减键、移位键、确认键、手动开阀键、手动关阀键等基本功能键及其组合，完成所有设置操作。

更进一步的，流量自控仪主机至少应能在设置主菜单或子菜单中进行控制流量的上、下线以及流量计准确度等级，除此之外，作为该装置的rs485通信主机，应有配置窗口用于配置本机设备地址、从机设备地址、通信波特率窗口，保证正常通信。

优选的，流量调节阀优选有较好的线性流量调节能力及很小的换向调节虚位的耐高压调节阀。

具体的，流量调节阀用于改变流道尺寸调节流量大小，因为注水压力高，流量大，上下游工况变化导致阀调节频繁，需要采用耐用且调节线性好且迅速的产品，故本发明优先但不限于采用磨轮调节阀。

优选的，工作流量计优选能够通过rs485接口与流量自控仪主机通信、能够接受modbus协议指令的智能流量计。

具体的，工作流量计除了具备测试水介质的瞬时流量、计算并保存累计流量，并接收流量自控仪主机的rs485通信指令传送瞬时流量、累计流量功能外，还应能设置或改变专一的通信地址与波特率以便与流量自控仪主机通信。

优选的，电动执行器应能按流量自控仪主机的调节指令以合适的速率逐步开关阀门，并反馈阀门开度。

优选的，直管段位于工作流量计安装位置前面的长度值应大于10倍dn，位于安装位置后面的长度应大于5倍dn，而且直管段应内外径均匀，内外表光洁，具有足够的长度。

优选的，校准时采用的标准流量计为高准确度的超声波流量计，超声波流量计优先采用带有rs485输出端口且比现场工作流量计更高准确度等级的产品。

优选的，安装于流量自控仪主机上的应用软件除了包括用于流量自控装置的流量控制模块外，还包括流量计自动校准模块，当用于流量控制时，选择“自动”或“手动”模式，当用于流量计标定时，选择“校准”模式。

本发明装置作为日常流量控制时，只需在安装流量自控仪主机时，设置好选用的工作流量计准确度等级及量程，工作流量计与主控装置的通信地址与波特率以及流量控制上、下线就能自动控制注水流量在设定范围。

当需要对流量测控装置进行校准时，在直管段上正确安装超声波流量计探头，设置好超声波流量计所需直管段参数、介质相关参数以及通信相关参数，直到显示出流量，如果流量自控仪主机显示流量值与超声波流量计示值误差在允许范围内则可以不必重新校准，否则需要重新校准流量测控装置，此种情形下，应将流量自控仪主机的标准流量计输入接口连接超声波流量计输出接口，将流量测控仪主机置于校准状态，此时，流量自控仪主机会自动完成校准工作。

以下，本发明还提供了一种采用可在线自动标定的注水流量自控装置进行自动标定的方法，假设流量计当前流量非零，其标定方案及步骤如下：

第一步，流量自控仪主机分别通过对应的rs485接口读取当前标准流量计示值vs与工作流量计的示值v，计算工作流量计的示值引用误差e，，其计算公式为，

第二步，判定e的绝对值是否大于设定值，若是，则需修改脉冲当量值，否则直接进入第五步的分段标定；

第三步，流量自控仪主机通过对应的rs485接口发指令要求工作流量计发送当前脉冲当量值并读取；

第四步，计算脉冲当量的修正值，再由流量自控仪主机通过rs485接口发指令给工作流量计修改脉冲当量值，重复第一步至第三步，直到工作流量计示值的引用误差e的绝对值小于设定值；

第五步，流量自控仪主机向电动执行器发出指令调节流量，直到使标准流量计的读数处于分段第一段的中部为止，延时一段合适的时间待标准流量计示值稳定为vs；

第六步，读取工作流量计的示数v，并计算工作流量计的示值的引用误差e，并判定e的绝对值是否比工作流量计在该段的允许误差小一个预设值；

第七步，若判定结果是小于的，则直接进入下一段标定，否则，先发指令获取工作流量计该段标定系数，计算标定系数修正值，再发指令给工作流量计修改该段的标定系数；

第八步，重复第五步至第七步，直到各分段都标定完毕或达到现场流量所能达到的最大区段为止；

第九步，流量自控仪主机提示校准完毕，人工查看当前自动控制的准确度，必要时可重复校准一次；校准成功后，人工切换到自动或手动工作状态，拆下标准流量计，结束校准工作。

上述一种采用可在线自动标定的注水流量自控装置进行自动标定的方法中，修改脉冲当量值或分段标定系数时，修改值直接由流量自控仪主机通过rs485接口发指令给工作流量计修改，其中，修正值计算公式为：

新值＝当前值×(1-e)。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

现场人员只需要会使用、安装超声波流量计，在流量自控仪主机面板手动切换为校准状态或切换回自动控制状态，不需要懂仪表计量专业知识及熟悉不同仪表的专业校准操作，校准过程全部自动完成，除确实损坏严重的流量计外，可保证准确度，特别是克服了以前装置送检后不合格，只能换新或等待维修的不足。

本发明对流量自控仪主机升级改造硬件成本增加不高，软件部分主要只需增加校准模块以及配套流量计软件升级软件开发，以少量的升级改造成本，却可可观延长流量计的使用寿命，还可降低维护、校准人工成本及避免停机成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的可在线自动标定的注水流量自控装置的组成图；

图2附图为本发明提供的流量自控仪主机控制电路板的硬件构成框图；

图3附图为本发明提供的采用可在线自动标定的注水流量自控装置进行自动标定的方法流程图；

其中，图中，

1、流量自控仪主机；2、电动执行器；3、流量调节阀；4、工作流量计；5、直管段；6、超声波流量计；7、电源；8、rtu。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如附图1所示，本实施例公开了一种可在线自动标定的注水流量自控装置，该装置安装于注水管路上，包括流量自控仪主机1、电动执行器2、流量调节阀3、工作流量计4、直管段5和电源7，在该装置需要标定时，再在装置的直管段5上夹装一块高准确度的超声波流量计6并将其连接至流量自控仪主机1专用接口。

在本发明实施例装置中，流量自控仪主机1为测控中心，其与电动执行器2、工作流量计4、电源7以及校准时使用的超声波流量计6都存在电气连接。直管段5的首端与现场注水主干管分支相连(附图1箭头所指处)，尾端与流量调节阀3介质入口相接，流量调节阀3介质出口与现场注水配水管连接；流量调节阀3与电动执行器2的底座通过连接盘固定连接，其阀杆与电动执行器2的调节输出机构通过轴套活动连接并接受电动执行器2的正反向调节；直管段5上靠近流量调节阀3的尾端设有工作流量计安装座，用于安装工作流量计4；在校准时，直管段5外部夹有超声波流量计6的流量传感探头。

本发明实施例装置中的流量自控仪主机1具备设置流量控制参数、读取流量计流量、读取超声波流量计流量、读取流量累计、流量自动控制、流量计校准、上位机通信等功能。工作流量计4用于传给流量自控仪主机1实时流量信号；流量调节阀3用于改变流道调节流量大小；直管段5用于安装流量计与校准用超声波流量计6，并稳定流体；电动执行器2用于调节流量调节阀，反馈开闭程度及过行程的保护。

本发明实施例装置中的流量自控仪主机1包括设于外部起保护作用的壳体、设于壳体上用于进行操控的键盘机构以及设于壳体内部起到控制作用的控制电路板。上述控制电路板包括硬件以及针对相应硬件开发的应用软件，其中，硬件构成框图如图2所示，包括流量控制及流量计自动校准微控制器，与该微控制器存在电气连接的至少3组rs485通信接口或者至少2组rs485通信接口加一组rs232接口、执行器开度读取接口、阀门调节信号输出电路及输出口、执行器开度读取接口、供电电路以及键盘连接口、液晶显示器连接口。应用软件用于流量自控仪主机1运行流程的控制。

具体的，rs485接口与外部连接是固定的、相对应的，1组用于与工作流量计4通讯，读取瞬时流量、累计流量，另1组rs485通信接口用于校准时与具有rs485通信功能的超声波流量计6通信，至少读取瞬时流量，通过第3组rs485通信接口用于与现场rtu8连接，以便实现远程联网通信；当采用的超声波流量计6只有rs232通信功能时，如附图2所示，前述的1组rs485接口电路不装，选装rs232接口电路，以降低硬件成本。

具体的，阀门调节信号输出电路及输出口用于输出满足执行器电压与持续时间要求的关阀或开阀脉冲信号。

更具体的，本实施例的控制电路板上设有3路4-20ma接口及a/d转换电路，其中1路4-20ma接口及a/d转换电路为执行器开度读取接口，用于输入执行器开度信号以及反馈执行器当前开度位置信号；剩余的2路4-20ma接口及a/d转换电路为预留的智能压力表接口，用于需要安装干压与配注压力的场合以输入压力变送器标准输出信号。

本发明实施例装置中流量自控仪主机1上的键盘机构优先设计为仪表控制面板形式，控制面板上至少有“模式”键能够选择主机进入手动模式、自动工作模式、校准模式，并有液晶或指示灯指示所选定的工作模式；有“设置”键能够进入设置主菜单与子菜单；此外还应有数字加减键、移位键、确认键、手动开阀键、手动关阀键，这些基本功能键及其组合，完成所有设置操作。需要说明的是按键的名称或其组合或复用不是唯一的，本领域内的技术人员可以按喜好自由设定，只要能完成所有设置即可。

更具体的，流量自控仪主机1至少应能在设置主菜单或子菜单中进行控制流量的上、下线以及工作流量计准确度等级设置，除此之外，作为该装置的rs485通信主机，流量自控仪主机1应有配置窗口用于配置本机设备地址、从机设备地址、通信波特率，保证内外正常通信。

本发明实施例装置中的流量自控仪主机1上还安装有专门开发的应用软件，控制主机按程序工作，实现设置流量控制参数、设置所配工作流量计的准确度等级及量程、读取流量计瞬时流量、读取超声波流量计流量，读取累计流量、流量自动控制、流量计自动校准、上位机通信等功能。具有以上这些功能的软件属于现有技术，本领域内的专业开发人员很容易实现，故在此不再过多详述。对本发明所涉及的自动标定方案与步骤，在后面会结合软件流程作说明。

本发明实施例装置中的电动执行器2应能按流量自控仪主机1的调节指令以合适的速率逐步开关阀门，并反馈阀门开度。为防止阀门关不严或流量达不到设定而导致过度调节，电动执行器2应有超行程自我保护。

本发明实施例装置中的流量调节阀3用于改变流道尺寸调节流量大小，因为注水压力高，流量大，上下游工况的变化会导致阀调节频繁，需要采用耐用且调节线性好且迅速的产品，故本发明优先但不限于采用磨轮调节阀。

本发明实施例装置中注水场合的工作流量计4用于传给流量自控仪主机1实时流量信号，优选磁电式流量计。此外，工作流量计4优选设计成可以作为从机通过rs485接口接收流量自控仪主机1的modbus协议指令，输出瞬时流量、累计流量，并能按指令修改标定系数(包括脉冲当量，分段仪表标定系数)的流量计。另外，若选用的工作流量计4为rs232接口或4-20ma变送器，则需要流量自控仪主机1配置对应的接口电路，特别是选用后者，其校正则在流量自控仪主机1内进行，故硬件电路增加外软件也需做相应开发。

本发明实施例装置中，直管段5是连接注水主干网分支与本装置流量调节阀3的一段管体，其优选内外径均匀、内外表光洁的不锈钢管，具有足够的长度，用于安装工作流量计4与校准用超声波流量计6，并稳定流体；直管段5在接近流量调节阀3的一段设有工作流量计安装座，其位置应保证位于工作流量计安装座前面的长度值应大于10倍dn，位于其后的长度应大于5倍dn。

本发明实施例装置中，超声波流量计6按照流量计检定相关规范须配置一台高准确度等级(比现场工作流量计4准确度等级更高)，优选但不限于具有rs485串口(例如rs232串口也可以实现)数据输出功能的通用产品，使多台流量自控仪主机1可以公用，以降低开发、使用成本。

下面结合附图3对采用上述装置进行自动标定的方法及流程做进一步阐述。

实施校准前，在直管段5上正确安装超声波流量计探头，将流量自控仪主机1的标准流量计输入接口连接超声波流量计输出接口，然后，开机设置好超声波流量计6所需直管段5、介质相关参数以及输出相关参数，直到正确显示出工作流量，再通过键盘按键将流量自控仪主机1置于校准模式，完成这些准备工作后，流量自控仪主机1会自动完成工作流量计4的校准工作，其校准方案及步骤如下：

第一步，流量自控仪主机1分别通过对应的rs485接口读取超声波流量计6示值vs与工作流量计4的示值v，计算工作流量计4的示值引用误差e，其计算公式为，

第二步，判定e的绝对值是否大于设定值(比如1.5％，根据流量计准确度等级由应用软件设定)，若是，则需修改脉冲当量值，否则直接进入第五步的分段标定；

第三步，流量自控仪主机1通过对应的rs485接口发指令要求工作流量计4发送当前脉冲当量值(作为优选，以流量控制装置配装磁电式流量计为例)并读取；

第四步，计算脉冲当量的修正值，再由流量自控仪主机1通过rs485接口发指令给工作流量计4修改脉冲当量值，重复第一步至第三步，直到工作流量计4示值的引用误差e的绝对值小于设定值；修正公式为：

新脉冲当量值＝当前脉冲当量值×(1-e)；

第五步，流量自控仪主机1向电动执行器2发出指令调节流量，直到使超声波流量计6的读数处于分段第一段中部为止，延时一段合适的时间待超声波流量计6示值稳定为vs；

第六步，读取工作流量计4的示数v，并按第一步公式计算工作流量计4的示值的引用误差e，并判定e的绝对值是否比工作流量计4在该段的允许误差小一个预设值(比如0.1％，可根据工作流量计4标称准确度，由应用软件设定)；

第七步，若判定结果是小于的，则直接进入下一段标定，否则，先发指令获取工作流量计4该段标定系数，计算标定系数修正值，再发指令给工作流量计4修改该段的标定系数；修正值计算公式为：

新标定系数＝当前标定系数×(1-e)；

第八步，重复第五步至第七步，直到各分段都标定完毕或达到现场流量所能达到的最大区段为止；

第九步，流量自控仪主机1提示校准完毕，人工查看当前自动控制的准确度，必要时可重复校准一次；校准成功后，人工切换到自动或手动工作状态，拆下超声波流量计6，结束校准工作。

通过本发明的技术方案组成的流量自控装置，能够对原有流量自控仪进行升级改造，利用增加少量的设备成本，实现现场在线自动对智能流量计重新校准，既可延长流量计的使用寿命，也减少了因停注校准而带来的减产损失及校准人工成本、交通成本与再标定成本，大大方便用户使用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。