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多声道气体超声流量计的研究


文章日期:2017-06-17|阅读数:


多声道气体超声流量计的研究

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。

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 而得到广泛认可。尤其在国外的一些发达,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于国内都是专业生产超声流量计的公司 。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,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 。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***常用的,其换能器安装位置见图 1。

 公式1.jpg

公式2.jpg

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,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。

超声波在流体中传播时,其速度与被测流体的温度、压力有关。温度影响***明显。通常温度提高一度,声速提升0. 6 m / s,流体式空气是,超声波速传播度可由公式给出能力 c =331. 4 1 + T /273 ,T 是流体温度。温度越高,则速度 c 越大。超声波流量计在测量时,声波信号自晶片传出,经管壁、衬里,到达流体介质,若流体的温度压力改变,则信号在上述各物件的分界面上的折射角和传播时间也会发生改变,从而改变流量计的示值。温度变化会导致热胀冷缩,会改变传感器的位置及其角度等,增大定位误差值。所以超声波流量计的结构和电路内,必须设计实时温度自动补偿。

3.用积分方法计算声道布置及其权系数

公式3.jpg

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。

 公式4.jpg

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,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***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 ***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。***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。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。

公式5.jpg

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。

 

 



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