多聲道氣體超聲流量計的研究

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。

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 而得到廣泛認可。尤其在國外的一些發(fā)達，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)模都于國內(nèi)都是專業(yè)生產(chǎn)超聲流量計的公司 。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)流場分布復雜，降低測量精度，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 。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***常用的，其換能器安裝位置見圖 1。

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，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。

超聲波在流體中傳播時，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。超聲波流量計在測量時，聲波信號自晶片傳出，經(jīng)管壁、襯里，到達流體介質(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間也會發(fā)生改變，從而改變流量計的示值。溫度變化會導致熱脹冷縮，會改變傳感器的位置及其角度等，增大定位誤差值。所以超聲波流量計的結(jié)構(gòu)和電路內(nèi)，必須設(shè)計實時溫度自動補償。

3.用積分方法計算聲道布置及其權(quán)系數(shù)

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。

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，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***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 ***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。所以，從兩方面出發(fā)，振蕩頻率選在 100 ～ 200 kHz 之間。可以選擇歐塞龍公司生產(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。

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。