多聲道氣體超聲流量計(jì)的研究

實(shí)際流量測量時(shí)，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(jì)的精度。而采用多聲道流量計(jì)能夠降低這些因素影響。在詳細(xì)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(jìn)行數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化研究，求解權(quán)重系數(shù)。因計(jì)算出測量面的速度均值，提升了測量精準(zhǔn)度。在理論支持下，對流量計(jì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃及傳感器等硬件選型。通過實(shí)驗(yàn)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(jì)提供一定參考。

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(jì)以測量快、不存在流阻、量程大、無壓損等優(yōu)點(diǎn) 而得到廣泛認(rèn)可。尤其在國外的一些發(fā)達(dá)，氣體超聲流量計(jì)被普遍利用，且無論是技術(shù)上還是生產(chǎn)規(guī)模都于國內(nèi)都是專業(yè)生產(chǎn)超聲流量計(jì)的公司 。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(fù)雜，降低測量精度，多聲道氣體超聲流量計(jì)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(jì)測量精度的不同因素，建立多聲道流量計(jì)的數(shù)學(xué)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(jì)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(jì)提供參考。

1.測量基本原理

對于多聲道氣體超聲流量計(jì)，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 。每種方式都可依據(jù)工程實(shí)際測量需求來選擇合適的聲道數(shù)，多聲道的流量計(jì)在單個(gè)聲道的測量原理是相同的。時(shí)差法是***常用的，其換能器安裝位置見圖 1。

2.影響流量計(jì)測量精度的因素

2． 1  噪聲影響

超聲波信號強(qiáng)度與兩傳感器間的距離成反比，距離越大，強(qiáng)度越小，一般當(dāng)距離超過 30 cm，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(jìn)而拉低流量計(jì)的精準(zhǔn)度。

2． 2 硬件影響

由原理公式可知，超聲波傳播時(shí)存在時(shí)間延時(shí)，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)出后有余產(chǎn)生，可能導(dǎo)致誤判。二是控制器在控制超聲波傳感器信號傳播時(shí)，要經(jīng)過切換電路，也會會產(chǎn)生延時(shí)。

2． 3 流場方面

首先，管內(nèi)風(fēng)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(zhǔn)確性有影響，甚至對一個(gè)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(jì)精度不準(zhǔn)。外側(cè)的聲道受到流量計(jì)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。

超聲波在流體中傳播時(shí)，其速度與被測流體的溫度、壓力有關(guān)。溫度影響***明顯。通常溫度提高一度，聲速提升0． 6 m / s，流體式空氣是，超聲波速傳播度可由公式給出能力 c =331． 4 1 + T /273 ，T 是流體溫度。溫度越高，則速度 c 越大。超聲波流量計(jì)在測量時(shí)，聲波信號自晶片傳出，經(jīng)管壁、襯里，到達(dá)流體介質(zhì)，若流體的溫度壓力改變，則信號在上述各物件的分界面上的折射角和傳播時(shí)間也會發(fā)生改變，從而改變流量計(jì)的示值。溫度變化會導(dǎo)致熱脹冷縮，會改變傳感器的位置及其角度等，增大定位誤差值。所以超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和電路內(nèi)，必須設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)溫度自動補(bǔ)償。

3.用積分方法計(jì)算聲道布置及其權(quán)系數(shù)

4.硬件系統(tǒng)的規(guī)劃與實(shí)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。

硬件系統(tǒng)的主控芯片選擇浮點(diǎn)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?yàn)榘↑c(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，所以可直接完成復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)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，其內(nèi)核電壓在 135 MHz 時(shí)僅為 1． 8 V，在150 MHz 時(shí)為 1． 9 V，供電電源已經(jīng)降到 3． 3 V。性能提高，其主頻***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(qiáng)其采樣效率，達(dá)百萬次每秒。采用這種芯片，可以減少流量計(jì)因硬件原因產(chǎn)生的時(shí)間延時(shí)。

傳感器的驅(qū)動選擇 HIP4086，因?yàn)槠涑杀镜?，而效率高。HIP4086 是基于橋式電路而設(shè)計(jì)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(hù)值。經(jīng)過綜合考慮，選擇HIP4086 ***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。***重要的是考慮其振蕩頻率，首先保證距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，信號強(qiáng)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。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(dá)到要求的精度。

利用實(shí)驗(yàn)室管道，介質(zhì)是空氣，以兩聲道流量計(jì)進(jìn)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(jì)的測量原理及影響測量精度的各種因素做了詳細(xì)分析與研究。采取數(shù)值積分的辦法，對聲道安裝位置進(jìn)行數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，為創(chuàng)新氣體超聲流量計(jì)提供一定參考。