李小京，邢天龍

(1.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387;2.天津市電工電能新技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

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多聲道氣體超聲流量計的研究*

李小京，邢天龍

(1.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387;2.天津市電工電能新技術(shù)重點實驗室，天津 300387)

實際流量測量時，多種因素如噪聲、硬件、管壁粗糙程度、流場分布等都會降低氣體超聲流量計的精度。而采用多聲道流量計能夠降低這些因素影響。在詳細介紹測量原理與影響因素的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值積分方法，對聲道安裝位置進行數(shù)學建模和優(yōu)化研究，求解權(quán)重系數(shù)。因計算出測量面的速度均值，提升了測量精準度。在理論支持下，對流量計硬件系統(tǒng)進行規(guī)劃及傳感器等硬件選型。通過實驗測量與數(shù)據(jù)分析，測量精度能基本滿足要求，可為創(chuàng)新下代氣體超聲流量計提供一定參考。

氣體超聲流量計； 數(shù)值積分； 系統(tǒng)硬件； 超聲波傳感器

0 引 言

近些年來,人們對管道內(nèi)氣體流量檢測愈發(fā)重視。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,氣體超聲流量計以測量快、不存在流阻、量程大、無壓損等優(yōu)點[1]而得到廣泛認可。尤其在國外的一些發(fā)達國家,氣體超聲流量計被普遍利用,且無論是技術(shù)上還是生產(chǎn)規(guī)模都領(lǐng)先于國內(nèi),如丹佛斯、康樂創(chuàng)、富士等都是專業(yè)生產(chǎn)超聲流量計的公司[2]。目前,對于大口徑、大流量脈動氣流的測量,仍存在測量精度低、便捷性差的難題。如在天然氣輸送、分配工程中,管道口徑大,壓力大使管道內(nèi)流場分布復雜,降低測量精度[3],多聲道氣體超聲流量計能克服此類影響,而被廣泛利用。本文分析了影響氣體流量計測量精度的不同因素,建立多聲道流量計的數(shù)學模型,優(yōu)化聲道安裝位置及權(quán)系數(shù),并給出了多聲道氣體超聲流量計系統(tǒng)硬件選取和結(jié)構(gòu)圖,為創(chuàng)新下一代氣體流量計提供參考。

1 測量基本原理

對于多聲道氣體超聲流量計,其聲道安裝方式靈活,有直射式與反射式,反射式又包含了一次、二次或多次反射[4]。每種方式都可依據(jù)工程實際測量需求來選擇合適的聲道數(shù),多聲道的流量計在單個聲道的測量原理是相同的。時差法是最常用的,其換能器安裝位置見圖1。

順向傳播時間

(1)

逆向傳播時間

(2)

圖1 換能器位置圖Fig 1 Location diagram of transducer

此聲道上的平均速度

(3)

式中 c為超聲波速度,v為流體速度,θ為軸線與探頭連線的夾角,τ1,τ2為時間延時。而多聲道流量計,需要對多個聲道的速度做加權(quán)積運算,再求管道截面的速度均值為

(4)

式中 wj為第j聲道的權(quán)系數(shù),n為總聲道數(shù)。

由管道截面速度求出流體流量Q

(5)

式中 p為工況下壓力,p0為標況下壓力；T為工況下溫度,T0為標況下溫度。

2 影響流量計測量精度的因素

2.1 噪聲影響

超聲波信號強度與兩傳感器間的距離成反比,距離越大,強度越小,一般當距離超過30 cm[5],由于噪聲的存在,誤差變大。例如節(jié)流裝置,產(chǎn)生的噪聲的頻率分布較寬,其中高頻噪聲與節(jié)流裝置的壓降和流量成正相關(guān),對信號的傳播產(chǎn)生影響,進而拉低流量計的精準度。

2.2 硬件影響

由原理公式可知,超聲波傳播時存在時間延時,主要是由系統(tǒng)硬件引起的。一是傳感器在超聲波信號發(fā)出后有余振[6]產(chǎn)生,可能導致誤判。二是控制器在控制超聲波傳感器信號傳播時,要經(jīng)過切換電路,也會會產(chǎn)生延時。

2.3 流場方面

首先,管內(nèi)風速、管壁材料的粗糙程度能使超聲信號的幅值產(chǎn)生波動。此類波動對信號檢測的準確性有影響,甚至對一個周期信號產(chǎn)生影響,增大誤差值。如若氣體流速過高,信號的形狀可能會因流體剪切力的存在而改變,使流量計精度不準。外側(cè)的聲道受到流量計管道邊緣的影響而產(chǎn)生有邊緣效應(yīng),也會造成測量誤差。

3 用積分方法計算聲道布置及其權(quán)系數(shù)

通常為了計算方便,而忽略管壁流速得0這一點,使精度下降。本次建模優(yōu)化包括此點。一般,在充分發(fā)展的圓管中,紊流的速度分布與(1-t2)0.1的指數(shù)分布相似,因此權(quán)函數(shù)ρ(x)如下

ρ(x)=(1-x2)0.5(1-x2)0.1=(1-x2)0.6

(6)

權(quán)函數(shù)確定后,由積分方法得

(7)

得到的權(quán)重系數(shù)如下公式

(8)

將公式化成便于計算的簡單形式

(9)

(10)

式中 x為分布位置,R為半徑,m為聲道數(shù)。圖2為聲道布置圖。

圖2 多聲道換能器位置圖Fig 2 Position diagram of multipath transducer

由此可以方便的計算出分布位置和權(quán)重系數(shù)。此方法精度高,但存在局限性,更適合偶數(shù)聲道的流量計,因此根據(jù)工程需要來確定用幾聲道的流量計。

4 硬件系統(tǒng)的規(guī)劃與實測數(shù)據(jù)

以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心,輔以外設(shè)電路,組成系統(tǒng),圖3是其結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Diagram of system structure

硬件系統(tǒng)的主控芯片選擇浮點格式工作DSP芯片 ,型號選 TMS320F281X系列。相比以前的主控芯片,TMS320F281X系列芯片因為包含浮點運算內(nèi)核,所以可直接完成復雜的浮點運算,代碼執(zhí)行速度加快,該芯片采用靜態(tài)CMOS技術(shù),功耗降低[8,9],其內(nèi)核電壓在135 MHz時僅為1.8 V,在150 MHz時為1.9 V,供電電源已經(jīng)降到3.3 V。性能提高,其主頻最高150 MHz,代碼快速執(zhí)行把指令周期降低到6.67 ns,而12 位ADC增強其采樣效率,達百萬次每秒。采用這種芯片,可以減少流量計因硬件原因產(chǎn)生的時間延時。

傳感器的驅(qū)動選擇HIP4086,因為其成本低,而效率高。HIP4086是基于橋式電路而設(shè)計的,它是三相橋式N通道MOS管驅(qū)動器集成電路,電路簡單、靈活。HIP4086的輸入?yún)f(xié)議極具靈活性,所有存在的開關(guān)組合都可被驅(qū)動。HIP4086還可靈活設(shè)定欠壓保護值。經(jīng)過綜合考慮,選擇HIP4086最為合適。

超聲波傳感器的選擇要考慮其材質(zhì)氣體特性阻抗各關(guān)系,不能相差太大,否則會降低換能器效率。最重要的是考慮其振蕩頻率,首先保證距離足夠遠時,信號強度要夠大。其次考慮周邊環(huán)境對信號的影響。綜合考慮,空氣中振蕩頻率越小越好,但就流量測量的精度而言,振蕩頻率越大越好,然而頻率過大,信號能量會衰減[10]。所以,從兩方面出發(fā),振蕩頻率選在100～200 kHz之間?？梢赃x擇歐塞龍公司生產(chǎn)的175E27TR—1型超聲波傳感器,它是收發(fā)一體的高頻換能器,鋁制材料,能達到要求的精度。

表1 實測數(shù)據(jù)

利用實驗室管道,介質(zhì)是空氣,以兩聲道流量計進行測量從誤差來看,基本滿足要求。

5 結(jié)束語

本文對氣體超聲流量計的測量原理及影響測量精度的各種因素做了詳細分析與研究。采取數(shù)值積分的辦法,對聲道安裝位置進行數(shù)學建模和優(yōu)化研究,為聲道布置提供了理論上的支持。在對理論、硬件系統(tǒng)及實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,為創(chuàng)新氣體超聲流量計提供一定參考。

[1] 王彥芳,王小平,張翠肖,等.高精度超聲波流量計的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(8):40-42.

[2] 陳 玲.新型流量測量儀表的應(yīng)用與發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(6):8-11

[3] 呂幾凡,程 佳,李東升,等.管道天然氣超聲流量計在線檢驗系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(8)：104-106.

[4] 吳志敏,蘇滿紅.多聲道超聲波氣體流量計的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(6):30-32.

[5] 曹曉鋒.超聲波流量計在天然氣計量的應(yīng)用研究[J].化工管理,2015(4)：206-207.

[6] 韋興平,車 暢.超聲波傳感器應(yīng)用綜述[J].工業(yè)控制計算機,2015,27(11)：135-136.

[7] 張 棟,張宏武.超聲波流量計結(jié)構(gòu)特點及合理選型的分析探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(6):42-43.

[8] 鮑麗莎,梁俊汀,盧 杰.多聲道超聲波氣體流量計的數(shù)學模型[J].聲學技術(shù),2010,29(4):392-395.

[9] 李志軍,趙 剛.基于DSP的時差法氣體超聲波流量計的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(3)：17-19.

[10] 王賢妮.超聲波流量計的研究現(xiàn)狀[J].水表計量專欄,2015,25(6)：38-39.

邢天龍,通訊作者，E—mail：tianlong3610@163.com。

Research of multipath gas ultrasonic flowmeter*

LI Xiao-jing,XING Tian-long

(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China；2.Tianjin Key Laboratory of New Technology of Electrical Engineering and Energy,Tianjin 300387,China)

A variety of factors such as noise,hardware,pipe wall roughness,flow field distribution will reduce precision of ultrasonic gas flowmeter in the actual measurement.And the use of multipath flowmeter can reduce the impact of these factors.On the basis of introducing the measurement principle and influence factors,the optimization and mathematical modeling of the installation position of the channel are studied by numerical integration method,and the weight coefficients are solved.It can improve the accuracy of measurement by calculating the average speed of the measuring surface.Under the support of the theory,the hardware system is planned and selected.Through the experimental measurements and data analysis,the measurement precision can meet the basic requirements,and it can provide some reference for the innovation of the next generation of gas ultrasonic flowmeter.

gas ultrasonic flowmeter;numerical integration ;system hardware； ultrasonic sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0009—03

2016—01—07

國家自然科學基金資助項目(61372011)

TB 937

A

1000—9787(2016)11—0009—03

李小京(1955-),男,山西太原人,碩士,教授,主要從事測量與控制,流量傳感器設(shè)計及應(yīng)用等研究工作。