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超声波流量计的应用

放大字体  缩小字体    发布日期:2010-05-24  来源:丹东思凯电子发展有限责任公司  作者:admin  浏览次数:267
核心提示: 丹东思凯电子发展有限责任公司兰玉明    随着我国能源结构的调整和“西气东输”工程的进展,燃气(天然气、液化气)的应用会越来越普及。为了环保,北京,上海等城市已经开始在市内取消燃煤锅炉,一律改造为燃气锅炉。燃气锅炉的推广使用,使
 
丹东思凯电子发展有限责任公司 兰玉明
 
    随着我国能源结构的调整和“西气东输”工程的进展, 燃气(天然气、液化气)的应用会越来越普及。为了环保,北京,上海等城市已经开始在市内取消燃煤锅炉,一律改造为燃气锅炉。燃气锅炉的推广使用,使燃气表需求量越来越大。大流量的工业燃气用户表的需求是非常看好的,随着燃气使用的普及,每年10万块的市场需求量是可以作为参考的。超声波燃气表以及超声波水表在住宅用小流量燃气表上的推广应用更加有着巨大的市场前景。作为能源计量仪器仪表的燃气表、水表,采用超声波表取代机械表,将在节能方面产生显著的经济和社会效益。以DN200水表为例,超声波水表的始动流量仅为0.6m3/h,而机械水表始动流量约2m3/h,相差达1.4 m3/h,若每天有5小时流量小于2m3/h,每年供水企业计量损失可达2555m3,按3元/ m3水价计算,供水企业每只水表每年损失可达7665元。超声波流量表在差压损失方便也有极好的节能效果,机械式水表工作在常流速1m/s时产生压力损失约0.07MPa,而超声波表压力损失几乎为0,可以估算,每只超声波水表每年可为供水公司的供水泵节电13547度,按电价0.45元/度计算,每年每只表可节省6056元。应该指出,超声波流量计成本要高于普通仪表,但使用寿命长、计量精度高、生产效率提高,总体上还是经济合算的。这正是各国大力发展超声波流量表的动力所在。我国的超声波流量计绝大多数还在依赖进口,随着对超声波燃气表、水表的日益增长的需求,加快对超声波流量计的研发和批量生产工作已迫在眉睫。
 
    随着科学技术的发展,尤其是微电子技术的发展,为燃气流量计带来革命性的进步,在仪表结构上从机械式到电子式,在应用上从普通型到智能型,测量方法上从差压式、容积式到速度式、质量式。二十世纪六、七十年代,人们发明了超声波流量计。九十年代末期,超声测量技术有了极大的提高,在国际上出现了量程宽、精度高、微功耗、商品化的超声波燃气表。进入二十一世纪,超声波流量计以其自身的优点得到迅猛的发展,成为流量计量的首选仪表。超声波流量计与过去的计量器具相比,没有机械运动部件,是一个电子产品,具有体积小、无压损、精度高、生产效率高、产品使用寿命长等明显优势。
 
    二十世纪九十年代末期,国际上只有少数几个国家掌握超声波燃气表、水表技术并达到应用水平,如世界著名的德国西门子公司、英国伊文森公司、德国埃因斯特公司等。目前,商品化的超声波燃气表已成功的应用于贸易输送计量、地下储气库计量、压缩天然气、气体处理厂、调压站等天然气领域,超声波水表已可安全替代其他类型水表。此外,日本正逐步实现超声波燃气表的民用化。
 
    目前我国在管网工程上使用的超声波燃气表,基表都是从上述国家进口,价格从几万~几十万元不等。国内在超声波燃气表方面的应用型研究处于起步阶段,同济大学等企业完成了大流量计量产品样机,而中小口径由于难度目前仍是空白。
 
    相对而言,国产超声波水表研究较为成熟,已开始批量生产并投入使用。超声波水表性能优良,但仍存在一些有待改进之处,在温度补偿、抗干扰性、低功耗等方面对超声波水表做进一步的提高,才能使之得到普及应用并带来巨大的经济效益。
 
    根据市场需求情况和技术的难易程度,首先研制目前国内全部依赖进口的口径50mm—120mm,流量范围6-400m3/h的工业用超声波气体流量计。以掌握的国外生产的超声波燃气表以及水表为样本,重点研发目前纯粹依赖进口的6~400m3/h的工业大流量燃气表、以及超声波水表的开发,在流量计量行业建立起来的销售网络进行市场推广。
 
    该产品中在流量检测中采用了超声计量原理。超声计量原理是通过超声换能传感器,测量出在超声波在被测量介质管道内传播的速度,从而计算出介质流动的速度,再根据管道截面积,最后计算出介质的流量。
该产品主要精度指标达到设计要求,但在可靠功耗,寿命方面与国外同类产品仍有差距,需解决的主要技术难点有:
 
    1)、高灵敏度、高效率,稳定性满足连续工作6年的超声波传感器。目前该传感器已研制成功,灵敏度、效率可以满足要求,但稳定性仍需进一步提高。
 
    2)、数学模型的建立。由于不同流量下的某种气体其流体特性有很大差异,因而数学模型的改进及不同流量下的参数确定需要做大量的实验工作。
 
    技术关键有:
 
    1)超声波传感器;
   
    传感器的性能是产品的质量基础,对市场上多种型号传感器的了解、选用十分重要。超声波在燃气和水中的频率不同,需针对被测介质合理选择超声波传感器。并进一步研究其在介质管道中的耐腐蚀、耐震动和高可靠性技术,以及温度、压力补偿技术。高灵敏度、高效率稳定性满足连续工作6年的超声波传感器,目前该传感器已研发成功,灵敏度、效率等可以满足要求,但稳定性仍需进一步提高。
 
    2)超声计量数学模型的建立;
 
    超声波流量计的流量计量是通过测量速度计算出来的,因而,数学模型的建立与合理使用至关重要。在不同流速下流下不同的流场及变化及校正的研究,包括对纳秒级时差的精确测量,以及根据管道流速分布修正测量模型。由于不同流量下的不同气体其流体特性有很大差异,因而数学模型的改进及不同流量下参数的确定需大量的试验工作。
 
    3)低功耗设计。
 
    超声波燃气表产品计划采用池供电,要减小维护费用,功耗指标非常重要;超声声波水表由于工作频率高,功耗较大,也需降低工作功耗。因专用集成电路的设计及其关键,国外公司无一例外的应用了专用集成电路满足其极其苛刻的功耗要求。要满足功耗要求就必须使用专用集成电路,因而专用集成电路的设计十分关键。
 
    产品的技术指标:
 
    ●供电方式:燃气表用锂电池供电,电压范围:3~3.6V;水表AC 220V或DC 8~24V供电。
 
    ●功耗指标:燃气表静态功耗电流<30μA,电池使用寿命一年以上;水表电流4~20mA,功耗小于2W。
 
    ●测量范围:燃气表流量25~100m3/h;水表流速范围0~32m/s。量程比:1:20。
 
    ●计量精度:
 
    燃气表:Qmin ≤ Q<0.2Qmax    ±3%测量值
         0.2Qmax ≤ Q ≤ Qmax     ±2%测量值
 
    符合国家燃气表标准。
 
    水表精度:1.0%。
 
    超声波燃气表由流量计表体(管道及表壳)、两对超声波探头、以及电路系统组成,表体由内嵌超声波探头的燃气管道以及安放电路部分的表壳两部分构成的一体化结构,采用铝合金压铸。采用PRO-E等三维设计软件对表体进行设计,包括管道长度,超声波探头的位置、角度以及具体的嵌入方案,温度、压力补偿传感器接口,表壳面板设计等。
 
    采用4只超声波探头,其中,1、2构成相互收发的一组探头,3、4构成相互收发的另一组探头。超声波探头采用常用的圆片式的PZT压电陶瓷换能器,利用其厚度振动模式向气体发射和从气体接收超声波信号。针对现有探头存在的问题,结合有限元仿真以及实际测量的结果,调整匹配层材料的声阻抗和均匀性,优化探头的结构参数,达到提高探头灵敏度、一致性、和频率稳定性的目的。
 
    硬件系统包括单片机、CPLD、时钟电路、ADC、RAM等。单片机和CPLD实现主要的控制和信号处理功能。超声波脉冲触发电路实现对超声波换能器的触发功能。超声波换能器把电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中。超声波脉冲接收电路实现对超声波信号的接收和放大等功能。接收到的信号首先通过比较电路,当信号的幅值超过阈值时,CPLD启动高速ADC进行AD转换,然后CPLD转换后的数据进行处理,得到时间差信息和流速信息。为了提高系统的抗噪声性能,CPLD还需对信号进行可靠性验证。开关转换电路实现对超声波声道的切换。单片机还将实现键盘操作、流量显示、和数据通讯等功能。在各部分软硬件设计中,在实现流量的准确测量的前提下,尽量采用低功耗设计。
 
    超声波水表采用一对用于水介质的超声波探头,分别相对安装在管道上游和下游,可安装在水管外部进行非接触式测量,。设计中注重电路的低功耗和抗干扰性。电路部分由信号发射与接收电路、 仪表放大电路、可调增益放大电路、滤波电路和电压比较电路组成。仪表放大器为第一级放大,把接收到的两路信号合成一路。由于被测的管径大小不一,造成超声波信号的传输路径长短不一,信号的衰减程度不同,超声波探头所接收到的信号强度会有所不同。因此设计程控放大器,将前级传输来的强弱不同的信号进行放大,使后级得到幅值大小基本相同的电压信号,便于测量比较。经放大后的信号里带有许多频率不同的干扰信号,必须将其滤除,此处设计了中心频率约910KHz的带通滤波器。经滤波和放大后的信号,再经电压比较以确定超声波信号到达的时间,电压比较器会向CPLD发出信号,由CPLD停止计数,并发出信号由单片机进行计算。
 
    目前,全国每年的工业大流量燃气表的用量在20万块以上、大流量水表在40万块以上,已市场总量的20%安装超声波计算,市场需求量为12000台,价值6000万元。
 
    该产品是对传统计量仪表的更新换代,具有体积小(只用皮膜式表体积的二十分之一)、精度高,制造、存储、运输、安装方便的优点,提高的生产效率,为生产厂商、使用单位创造的间接的经济效益。由于计量精度的提高,可为用户带来直接可观的经济效益。同时可以取代进口,有利于民族工业的发展。同类产品的价格要低于进口,降低了用户的使用成本。项目成果可应用于工业燃气表、工业水表,实现从供应公司到商业和居民市场之间的多个环节的流量计量。
 
    该产品是一个电子产品、嵌入式软件项目,没有污染产生,不会对环境造成影响,影响符合市场需求、有利于技术进步,可产生良好的社会效益。
 
 
 
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