李小京，邢天龙

(1.天津工业大学 电气工程与自动化学院，天津 300387;2.天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387)



多声道气体超声流量计的研究*

李小京，邢天龙

(1.天津工业大学 电气工程与自动化学院，天津 300387;2.天津市电工电能新技术重点实验室，天津 300387)

实际流量测量时，多种因素如噪声、硬件、管壁粗糙程度、流场分布等都会降低气体超声流量计的精度。而采用多声道流量计能够降低这些因素影响。在详细介绍测量原理与影响因素的基础上，利用数值积分方法，对声道安装位置进行数学建模和优化研究，求解权重系数。因计算出测量面的速度均值，提升了测量精准度。在理论支持下，对流量计硬件系统进行规划及传感器等硬件选型。通过实验测量与数据分析，测量精度能基本满足要求，可为创新下代气体超声流量计提供一定参考。

气体超声流量计； 数值积分； 系统硬件； 超声波传感器

0 引 言

近些年来,人们对管道内气体流量检测愈发重视。随着传感器技术的不断发展,气体超声流量计以测量快、不存在流阻、量程大、无压损等优点[1]而得到广泛认可。尤其在国外的一些发达国家,气体超声流量计被普遍利用,且无论是技术上还是生产规模都领先于国内,如丹佛斯、康乐创、富士等都是专业生产超声流量计的公司[2]。目前,对于大口径、大流量脉动气流的测量,仍存在测量精度低、便捷性差的难题。如在天然气输送、分配工程中,管道口径大,压力大使管道内流场分布复杂,降低测量精度[3],多声道气体超声流量计能克服此类影响,而被广泛利用。本文分析了影响气体流量计测量精度的不同因素,建立多声道流量计的数学模型,优化声道安装位置及权系数,并给出了多声道气体超声流量计系统硬件选取和结构图,为创新下一代气体流量计提供参考。

1 测量基本原理

对于多声道气体超声流量计,其声道安装方式灵活,有直射式与反射式,反射式又包含了一次、二次或多次反射[4]。每种方式都可依据工程实际测量需求来选择合适的声道数,多声道的流量计在单个声道的测量原理是相同的。时差法是最常用的,其换能器安装位置见图1。

顺向传播时间

(1)

逆向传播时间

(2)

图1 换能器位置图Fig 1 Location diagram of transducer

此声道上的平均速度

(3)

式中 c为超声波速度,v为流体速度,θ为轴线与探头连线的夹角,τ1,τ2为时间延时。而多声道流量计,需要对多个声道的速度做加权积运算,再求管道截面的速度均值为

(4)

式中 wj为第j声道的权系数,n为总声道数。

由管道截面速度求出流体流量Q

(5)

式中 p为工况下压力,p0为标况下压力；T为工况下温度,T0为标况下温度。

2 影响流量计测量精度的因素

2.1 噪声影响

超声波信号强度与两传感器间的距离成反比,距离越大,强度越小,一般当距离超过30 cm[5],由于噪声的存在,误差变大。例如节流装置,产生的噪声的频率分布较宽,其中高频噪声与节流装置的压降和流量成正相关,对信号的传播产生影响,进而拉低流量计的精准度。

2.2 硬件影响

由原理公式可知,超声波传播时存在时间延时,主要是由系统硬件引起的。一是传感器在超声波信号发出后有余振[6]产生,可能导致误判。二是控制器在控制超声波传感器信号传播时,要经过切换电路,也会会产生延时。

2.3 流场方面

首先,管内风速、管壁材料的粗糙程度能使超声信号的幅值产生波动。此类波动对信号检测的准确性有影响,甚至对一个周期信号产生影响,增大误差值。如若气体流速过高,信号的形状可能会因流体剪切力的存在而改变,使流量计精度不准。外侧的声道受到流量计管道边缘的影响而产生有边缘效应,也会造成测量误差。

3 用积分方法计算声道布置及其权系数

通常为了计算方便,而忽略管壁流速得0这一点,使精度下降。本次建模优化包括此点。一般,在充分发展的圆管中,紊流的速度分布与(1-t2)0.1的指数分布相似,因此权函数ρ(x)如下

ρ(x)=(1-x2)0.5(1-x2)0.1=(1-x2)0.6

(6)

权函数确定后,由积分方法得

(7)

得到的权重系数如下公式

(8)

将公式化成便于计算的简单形式

(9)

(10)

式中 x为分布位置,R为半径,m为声道数。图2为声道布置图。

图2 多声道换能器位置图Fig 2 Position diagram of multipath transducer

由此可以方便的计算出分布位置和权重系数。此方法精度高,但存在局限性,更适合偶数声道的流量计,因此根据工程需要来确定用几声道的流量计。

4 硬件系统的规划与实测数据

以数字信号处理器(DSP)为核心,辅以外设电路,组成系统,图3是其结构框图。

图3 系统结构图Fig 3 Diagram of system structure

硬件系统的主控芯片选择浮点格式工作DSP芯片 ,型号选 TMS320F281X系列。相比以前的主控芯片,TMS320F281X系列芯片因为包含浮点运算内核,所以可直接完成复杂的浮点运算,代码执行速度加快,该芯片采用静态CMOS技术,功耗降低[8,9],其内核电压在135 MHz时仅为1.8 V,在150 MHz时为1.9 V,供电电源已经降到3.3 V。性能提高,其主频最高150 MHz,代码快速执行把指令周期降低到6.67 ns,而12 位ADC增强其采样效率,达百万次每秒。采用这种芯片,可以减少流量计因硬件原因产生的时间延时。

传感器的驱动选择HIP4086,因为其成本低,而效率高。HIP4086是基于桥式电路而设计的,它是三相桥式N通道MOS管驱动器集成电路,电路简单、灵活。HIP4086的输入协议极具灵活性,所有存在的开关组合都可被驱动。HIP4086还可灵活设定欠压保护值。经过综合考虑,选择HIP4086最为合适。

超声波传感器的选择要考虑其材质气体特性阻抗各关系,不能相差太大,否则会降低换能器效率。最重要的是考虑其振荡频率,首先保证距离足够远时,信号强度要够大。其次考虑周边环境对信号的影响。综合考虑,空气中振荡频率越小越好,但就流量测量的精度而言,振荡频率越大越好,然而频率过大,信号能量会衰减[10]。所以,从两方面出发,振荡频率选在100～200 kHz之间。可以选择欧塞龙公司生产的175E27TR—1型超声波传感器,它是收发一体的高频换能器,铝制材料,能达到要求的精度。

表1 实测数据

利用实验室管道,介质是空气,以两声道流量计进行测量从误差来看,基本满足要求。

5 结束语

本文对气体超声流量计的测量原理及影响测量精度的各种因素做了详细分析与研究。采取数值积分的办法,对声道安装位置进行数学建模和优化研究,为声道布置提供了理论上的支持。在对理论、硬件系统及实验数据分析的基础上,为创新气体超声流量计提供一定参考。

[1] 王彦芳,王小平,张翠肖,等.高精度超声波流量计的设计[J].传感器与微系统,2006,25(8):40-42.

[2] 陈 玲.新型流量测量仪表的应用与发展[J].传感器与微系统,2007,26(6):8-11

[3] 吕几凡,程 佳,李东升,等.管道天然气超声流量计在线检验系统设计[J].传感器与微系统,2011,30(8)：104-106.

[4] 吴志敏,苏满红.多声道超声波气体流量计的研制[J].仪表技术与传感器,2014(6):30-32.

[5] 曹晓锋.超声波流量计在天然气计量的应用研究[J].化工管理,2015(4)：206-207.

[6] 韦兴平,车 畅.超声波传感器应用综述[J].工业控制计算机,2015,27(11)：135-136.

[7] 张 栋,张宏武.超声波流量计结构特点及合理选型的分析探讨[J].科技创新与应用,2015(6):42-43.

[8] 鲍丽莎,梁俊汀,卢 杰.多声道超声波气体流量计的数学模型[J].声学技术,2010,29(4):392-395.

[9] 李志军,赵 刚.基于DSP的时差法气体超声波流量计的设计[J].仪表技术与传感器,2014(3)：17-19.

[10] 王贤妮.超声波流量计的研究现状[J].水表计量专栏,2015,25(6)：38-39.

邢天龙,通讯作者，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

国家自然科学基金资助项目(61372011)

TB 937

A

1000—9787(2016)11—0009—03

李小京(1955-),男,山西太原人,硕士,教授,主要从事测量与控制,流量传感器设计及应用等研究工作。