乙醇（chún）流量計機械故障解決方法

摘要：分析乙醇（chún）流量計產生機械慢表的原因，依據數據傳輸係統傳回的停機延（yán）時流（liú）量製訂機械慢表的評估方法，對某LWQZ－100B的流量計的30次（cì）停機數據進行分析，當流量計停機延時流量評估得分小於等於20分時，通過貝葉斯定理判斷，依據評（píng）估得分發現該流量計為機械慢表的準確率的大於等於90%的可信度為94．94%。如果客戶用氣設備每天至少停機1次，則評（píng）估周（zhōu）期*多需要30d，該評估方法可將故障發現周期從2a縮短到30d，*大程度降低燃氣公司的機械慢表損失。
1概述
在日常工作中，乙醇流量計因軸承卡死等機械故障而造成的流量計不計量現象(俗稱機械死表)，通常都能被燃氣公司工作人員及時發現，追繳氣（qì）量（liàng）也較容易。而因軸承磨損導致的計量誤差偏大的（de）現象（xiàng）(俗稱機（jī）械慢（màn）表)，由於現場缺乏有效的技術手段，較難及時發現，目前診斷機械（xiè）慢表隻有定期將流量計通過（guò）檢測台，用音速噴嘴等標準計量裝置檢定（dìng），即流量計周檢。根據JJG1037—2008《乙醇流量計（jì）檢定規程》(以下簡（jiǎn）稱JJG1037—2008)要求，乙醇流量計檢（jiǎn）定周期為2a，即出現機械慢表時，在及時進行流量計周檢的情況（kuàng）下，該故障*長可能存在2a。
2形成機械慢表的原因分（fèn）析
乙醇流量計的主要計量部件為機芯，乙醇（chún）流量計的結構見圖1。
乙醇流量計機芯由軸、軸承、葉（yè）輪組成，機芯的（de）葉輪兩端由軸承（chéng）支撐，當流體通過時，衝擊葉輪，對葉輪產生驅動力矩Mτ，使葉輪（lún）克服機械摩（mó）擦力矩（jǔ）Mτm、流體（tǐ）阻力矩Mτf以及（jí）磁電轉換器（qì）對葉輪產生的電（diàn）磁（cí）反（fǎn）作用力矩Mτe而產生旋轉。由此可以（yǐ）建立葉輪的運動微分方程:

式（shì）中
J———葉輪的轉動慣量，kg·m2
ω———葉輪的旋轉角速度，rad/s
t———時間，s
Mτ———氣體（tǐ）流動對（duì）葉輪所產生的驅動力（lì）矩，N·m

Mτm———葉輪（lún）旋轉所產（chǎn）生的機械摩擦力矩，N·m
Mτf———流體阻（zǔ）力矩，N·m
Mτe———電磁反作用力矩，N·m
式(1)中（zhōng）通常（cháng）電磁反作用力矩Mτe比較小，可以忽略。正常工（gōng）作條件下，可認為管道內流量不**間變化，即葉輪以（yǐ）穩定的角（jiǎo）速度旋（xuán）轉。即存在

由於機（jī）芯的軸與軸承直接接觸，在氣體中的粉塵、雜質等作用下（xià），葉（yè）輪旋轉就（jiù）必然導致軸與（yǔ）軸承（chéng）之間產生摩擦，進而（ér）產生磨損，工作時（shí）間越長，工況環境（jìng）越差，潤滑越不利，磨損也就越嚴重，從而機械摩擦力矩Mτm越來越大。使用初期，葉輪以應（yīng）有角速（sù）度旋轉，如果機械摩擦力矩越來越大，葉輪的旋轉角速度會小（xiǎo）於應有角速度，雖（suī）然隨著（zhe）角速度的降低，流體阻力矩變小，但是由於（yú）機械摩擦（cā）力（lì）矩增大，仍達到了穩定工況。這種葉輪旋轉角速度（dù）變（biàn）小（xiǎo）的現象，叫流量（liàng）計計量偏慢現（xiàn）象(即機（jī）械慢表)。因（yīn）此認（rèn）為:機械摩擦力矩Mτm增大（dà）是（shì）造成乙醇流量計機械慢表（biǎo）的主要原因。
3流量計工況數據分析
隨著通信技術不斷發（fā）展，燃氣遠傳數據傳輸係統已逐步被（bèi）燃氣公司采（cǎi）用，該係統（tǒng）現場通過有線通信采集各項數據，再通過無線GPRS每2min一次上傳數據（jù）至（zhì）服務器，可**了解燃氣溫（wēn）度（dù）、燃（rán）氣壓力、瞬時流量、累積流量等（děng）實時信息，主要應用於計量管理、抄收、預付費管理等方麵。
①乙醇流量計葉輪慣性旋轉時間
當用氣設備停止用氣時，管道（dào）內氣體停止流動，葉輪由於慣性還在旋轉（zhuǎn），此（cǐ）時流（liú）量計仍有逐漸下降的瞬時流量顯示（shì）。根據GB/T21391—2008《用氣體乙醇流量計測（cè）量天然氣流量》附錄C的相關解（jiě）釋，在用氣設備（bèi）停機後，流量計（jì）葉輪旋轉（zhuǎn）時間是評估該儀（yí）表運行工況的重要參數。
測量我公司常用的3種型號新流量計在用氣設備停機後葉輪的慣性旋轉時間，為了確保數（shù）據準確（què）性，設（shè）備停機時的流量負荷選定在流量計量程的10%～90%，流量計葉輪慣性旋轉時間實驗結（jié）果見表1。
表1流量計葉輪慣性旋轉時間（jiān）實驗結果
由表1可以看（kàn）出，當停止用（yòng）氣後，流量計葉輪（lún）平均慣性旋轉時間均大於140s，而根據前（qián）文分析（xī）可知，當流量計（jì）為機械（xiè）慢表（biǎo）時，機械摩擦力（lì）矩Mτm增大，葉輪的旋轉（zhuǎn）角速度ω急速下降，用氣設備停機後葉輪慣（guàn）性旋轉時（shí）間縮短。因此，停機後慣性旋轉時間是研（yán）究的關鍵切（qiē）入點（diǎn）。
②停機延時流（liú）量
由於計量精準的乙醇流量計葉輪在用氣設備停機後（hòu）葉輪平均慣性旋轉時（shí）間均大於140s，我們對所監控的流量計停（tíng）機時連續運行數據進行分析，得出計量精準的流量計在用氣設備停機後（hòu）仍會有小流量數據傳輸，將該（gāi）流量定義（yì）為停機延時流量。某加氣站計量精準的流量計用氣設備停用時連續數據記錄見表2。瞬時工況流量為1．90m3/h的流量為停機延時流量。
表2某加氣站計量精準的流量計用（yòng）氣設備停機前後連續數據記錄
由表2可以看出，流量計瞬時工況流量從用氣設備運行時的263．19m3/h依次變為運行設備停機後（hòu）的60．20m3/h、1．90m3/h的小流（liú）量(停（tíng）機延時流量)數據傳回，由於監控係統每2min傳回一條數據，因此，當係統傳回至少一條停機延時（shí）流量時（shí），可認為此流量計慣性旋轉時間大於120s，經多次比對我們判定其運行工況良好，而後經現場拆表檢查，該流量計機芯內部幹（gàn）淨無（wú）異物，後送至檢測中心檢定，其低區誤差在誤差允許範圍（wéi）內。
機械摩擦力矩大的流量計在用氣設備停機後往往沒有（yǒu）小流量運行數（shù）據傳輸。某加氣站機械（xiè）摩擦力矩大的流量（liàng）計在用氣設備停用時連續（xù）數據記錄（lù）見表3。
由表3可以看出（chū），當用氣設備停用後，沒有小流量(停機延時流量)數據傳回，而是直接從（cóng）運行流量438．95m3/h變（biàn）為0，而後（hòu）經（jīng）現場拆表檢查，該流量計機芯的軸與軸承磨損嚴重，後送至檢測中心（xīn）檢定（dìng），其低區誤差不合格（gé）。因此判定其機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉角速度降（jiàng）低（dī），運行工況較差，發生機（jī）械慢表的可能性高。
表3某加氣站機械摩擦力矩大的流量（liàng）計用氣設備停用（yòng）時連續數據記錄（lù）
4基於停機延時流量的評估方法
4．1乙醇流量（liàng）計停（tíng）機延時流量評估模型
根據不同用戶用氣規律的差異性，每個用戶用氣設備每天（tiān）的停機（jī）次（cì）數各不相同，要反映流（liú）量計實時運行工況，不能隻根據一條停（tíng）機後的數據判斷流量計的準確度，而是（shì）需要（yào）選（xuǎn）取近期（qī）的多次停機數據進行評估。
為了確保所統計的停機數據能（néng）更加充（chōng）分、準確地反映流量計實時運行工況，建（jiàn）立流量計停機延時（shí）流量評估得分計算式:

式中
S———滿分為100分的（de）情況下，評（píng）估周期內流量計停機延時（shí）流量評估得分，分
n———評估周期內（nèi）有停機延時流量傳回的（de）停機次數，次（cì）
N———評估周期內該流量計的用氣設備總停機次數，次
式(5)針對某一台流量計N次停機後的數據進行統計，其中n次有停（tíng）機延時流量，(N－n)次無停機延時流量。根據以（yǐ）往經驗（yàn），當N越大（dà），即計（jì）算的總停機次數越多時，評估準確度越（yuè）高。但是N越大意味著評估周期越長，流量計運行實時工況評估時效性降低，且工作量增大。因此（cǐ）N的取值需要進一步討論。
4．2停（tíng）機延時流量評估模型的貝葉（yè）斯定理實證
①實驗流程
有（yǒu）別於經典（diǎn）統計學派，貝葉斯定理不僅（jǐn）考慮了樣本信息，而且（qiě）考慮了決策人（rén）員所（suǒ）擁有的知識、經（jīng）驗等私人信息（xī），甚（shèn）至包含著其主觀判（pàn）斷。貝葉斯定理綜合樣本信息與先驗信息後進行計算，可（kě）能更科學合理，而且可進一步隨（suí）著新的實驗信息的增（zēng）加不斷地進行越來越（yuè）符合實際的調整與修正。先驗概率是實驗前根據以往積累的資料（liào）和經驗，對事件發（fā）生（shēng）可（kě）能性的一個預設;後驗概率是在實驗後，根據實驗獲得（dé）的信息（xī）對事件（jiàn）發生的可能性作重新審視和修正的（de）概率。後驗概率往往對事件發生（shēng）與否有更為準確的判斷，但需要設計隨機實驗來實現（xiàn）。
貝葉（yè）斯定理（lǐ）驗證評估模型的實驗流程見圖2。貝葉斯（sī）定理驗證評（píng）估模型的實驗流程具體說明如（rú）下。

a．對於（yú）擬（nǐ）定的參數N，根據（jù）以往實（shí）踐經驗預設一個先驗概率;
b．做實驗，根據實驗結（jié）果用貝葉斯公式計算後驗概率;
c．驗證得出的後驗概率是否達到預定要（yào）求，根據結果*終確定參數N。
②N設為20次時的實驗過程
現以LWQZ－100B流量計為例，根據式(5)，當某台LWQZ－100B流量計停機延時（shí）流量評估得分S≤20分時，可以判定為機械慢表。此判斷產生（shēng）2種意見，意見1:此評分發（fā）現該型號機械慢表（biǎo）的準確率（lǜ）≥a1，a1為此評分發現該型號機（jī）械（xiè）慢表的準確率的下限值，取90%;意見2:此評分發現該型號機械慢表的（de）準確率≤a2，a2為此評分發現該型號（hào）機械慢表的準確率（lǜ）的上限值（zhí），70%。將意見1記為A1，意見（jiàn）2記為A2。對於這兩種（zhǒng）意（yì）見工作人員決定用做實驗的方（fāng）法（fǎ）確定（dìng）其可信（xìn）度。實驗方法是根據式(5)計算並統計出x台機械慢表，然後把這x台流（liú）量計上檢測台檢（jiǎn）測驗證，然後計算（suàn）可（kě）信度。
*先將N設（shè）定為20次，即針對某一台LWQZ－100B流量計統計（jì）計算其評估周期內*近的（de）20次的停機數據。根（gēn）據（jù）以往經驗，工作人員認為意見1的可信度為60%，意見（jiàn）2的可信度（dù）為40%。記為（wéi）P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率（lǜ）為先（xiān）驗概率（lǜ）。
a．*1次實驗。用（yòng）式(5)針對所監控（kòng）的逾1000塊規格（gé）為LWQZ－100B流量計隨機計算，並選取其（qí）中5塊S≤20分（fèn）的流量計。經檢測台檢測後（hòu）發現，該5塊流量（liàng）計中有3塊確實為機械慢（màn）表，2塊不是機械（xiè）慢表。設B表示事件:x塊流（liú）量計中有y塊為機械慢表。在本事件中，x為5，y為3。
本論文所用到的貝葉斯公式如下:

式中
P(A1|B)———B發生的情況下A1的可信度
B———事件:經檢測台檢測，x塊流量計中有y塊機械慢表
P(B|A1)———A1發生的情況下B的可信度
P(A1)———*1種意見的可信度，其中A1為*1種意見
P(B|A2)———A2發生的情（qíng）況下B的可信度
P(A2)———*2種意見的可信度，其（qí）中（zhōng）A2為*2種意見
x———實驗中，取出的S≤20分的流量（liàng）計數（shù）量，塊（kuài）
y———實驗中，x塊流量計中（zhōng）確實為（wéi）機械慢表的（de）流（liú）量計數量，塊
a1———意見1中準確率的下（xià）限值，取90%
a2———準確率的上限值，取70%
根據式(6)～(8)可得，B發生的情況下A1的可（kě）信度（dù）為26．16%，即後驗概率P(A1|B)=26．16%，P(A2|B)=73．84%。該實驗證明A1和A2的先驗（yàn）概率有問題，需要再做*2次實（shí）驗。
b．*2次實驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為LWQZ－100B流量計重新隨機（jī）計算，並取其（qí）中（zhōng）10塊S≤20分的流量計。經檢測台檢測後發現（xiàn），該10塊流量計中有7塊確實為機械慢表，3塊（kuài）不是機械慢表。設C表示事件:10塊流量計中有7塊為機械慢表（biǎo）。
用C事件代替式(6)～(8)中（zhōng）的B事件，計算可得C發生的情況下A1的可信度為7．08%，即後驗概率為P(A1|C)=7．08%，P(A2|C)=92．92%。
實驗1、2說明，當N設定為20次時，發現機械慢表的準確率不高於70%的可信度已達92．92%，發現（xiàn）機械慢表的準確率較低。
③N設（shè）為（wéi）30次時的實驗過程
現將N調整為30次，即針對某一台LWQZ－100B流量計統計計算其評估周期（qī）內*近的30次的停機數據。根據（jù）以往（wǎng）經驗，工作人（rén）員認為意（yì）見1的可信度為60%，意見2的（de）可信度為40%。即P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率（lǜ）為先驗概率（lǜ）。
a．*1次（cì）實驗。用式(5)針對所監控的（de）逾1000塊規格為LWQZ－100B流（liú）量計重（chóng）新隨機計算，並取其（qí）中5塊S≤20分的流量（liàng）計，經檢測台檢測後發現（xiàn），該5塊流（liú）量計中（zhōng）有5塊確實為機械慢表。設D表示事件:5塊流量計中有5塊為機械慢表。
用D事件代替式(6)～(8)中的B事件（jiàn），計算可得D發生的情況下A1的可信度為84．06%，即後驗概率（lǜ）為P(A1|D)=84．06%，P(A2|D)=15．94%，這種情形需（xū）要再做*2次實驗（yàn）。
b．*2次（cì）實驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊（kuài）規（guī）格為LWQZ－100B流量計重新隨機計算（suàn），並取其中10塊S≤20分的流量計，經檢測台檢（jiǎn）測後發現，該10塊流量計（jì）中有9塊確實為機械慢表。設E表示事件:10塊流量計中（zhōng）有9塊為（wéi）機械慢（màn）表。
用E事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得E發生（shēng）的情況下A1的可信度為94．94%，即後驗概率為P(A1|E)=94．94%，P(A2|E)=5．06%。此（cǐ）實驗（yàn）說明（míng），當N設定為（wéi）30次，通過式(5)計（jì）算型號為（wéi）LWQZ－100B的流量計*近的30條停（tíng）機數（shù）據，當該流量計停機延時流量評分（fèn）S≤20分時，此評分發現機械（xiè）慢表的準確（què）率≥90%的可信度已達到94．94%。
針對以上所做的4次實驗可得（dé）出，當N設定為30次時（shí），此評分模（mó）型發現型號為LWQZ－100B的（de）流量計為機械慢表的（de）準確率較（jiào）高。現假設客（kè）戶用氣設備每天至少停機1次，則評估周期*多需（xū）要30d。
以上為型號為LWQZ－100B流量計的停機延（yán）時評分機製，其他（tā）型號（hào）流量計也可通過此流程建立類似的停（tíng）機延時評分機製。對先驗概率（lǜ）與後驗概率（lǜ）的比較可以看出，應用貝葉斯定理有利於使工程師的經驗（yàn）、現場實驗（yàn）成（chéng）果以及曆史（shǐ）實驗資料都充分發揮作用，有利於積累資料的同時豐富經驗，是少投入多產出的好方法。
5結論
①將乙醇流量計機械慢表的故障程度**量化，大幅度降低不同型（xíng）號流量計因機械摩擦（cā）力矩增加造成（chéng）機械慢表的發現周期，將故障發現周期從2a縮短到30d，*大程度上降低燃氣公司的（de）經濟損失，從而為企業營收做貢獻。
②本（běn）文（wén）也是對燃氣行業工商大表傳統管理模式進行創新。通（tōng）過應用該技術，可以將“*檢合格、定期周檢、到期報廢”的傳統管理模式演變為“*檢合格、**評（píng）估、永遠如（rú）新”的嶄新（xīn）管理模式。

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