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智能超聲波燃氣表的技術研究

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2019.10.23

作者:王秀橋,黎紅軍,趙曉軍,方炯,胡良傳

第一作者單位:保定新奧燃氣有限公司

摘自《煤氣與熱力》2017年8月刊


1   智能超聲波燃氣表高精度的計時技術

在超聲波流量計實際應用中,小流量狀態下超聲波信號的幅值比較穩定,時間測量精確度較高。但是,在大流量下受到氣流以及外界因素的影響,造成超聲波流量計的時間測量精度受到嚴重影響,帶來測量誤差[1-2]。

為了克服大流量下時間測量精確度低的問題,把閾值法與互相關算法相結合,可提高超聲波燃氣表時間測量的精確度以及抗干擾能力。

 ①閾值法

閾值法就是通過過零檢測技術和閾值檢測技術結合,獲取電子計時的時間。當超聲波信號的幅值超過設定的閾值時,此時通過過零檢測電路對信號的零點進行檢測。當超聲波信號幅值達到并超過此閾值時,過零檢測電路開啟,通過檢測閾值后面的第一個過零點,就可以獲取超聲波的渡越時間。

 ②互相關算法

互相關算法主要依據卷積定理,對同一個超聲波換能器接收到的流體靜態參考信號波形與動態測量信號波形進行相關算法波形匹配,通過偏移點的個數得到測量時間差值,新型相關算法時間測量原理見圖1。


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                                             圖1   互相關算法時間測量原理

超聲波換能器A作為發射端,超聲波換能器B作為接收端,以超聲波信號順流傳播時間的測量為例對測量原理進行說明。首先,在流體靜止狀態下超聲波換能器B存儲靜止狀態下的接收波形作為參考信號波形,波形函數為X(t)。當燃氣流動時,超聲波換能器B接收到的信號波形為測量信號波形,波形函數為Y(t)。對于同一個超聲波換能器B來說,兩種流體狀態下,接收到的兩個超聲波信號波形非常相似,只是時間上的延遲。由互相關算法理論可知,函數X(t)與Y(t)滿足相關函數條件,兩個波形之間的相關函數為:


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③時間測量數據分析

為了驗證時間測量方法的準確性,通過時間測量實驗進行對比,通過畫出時間測量的離散圖來進一步判斷時間測量方法的可靠性及抗干擾能力。在選取流量點下,進行時間測量并進行數據分析,互相關測量方法的測量結果見圖2,傳統時間測量方法測量結果見圖3。


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                              圖2   互相關測量方法的測量結果


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                               圖3   傳統時間測量方法測量結果

由圖2、3對比可以看出,與傳統的時間測量方法相比,互相關測量方法有很高計量精度和很強的穩定性。同時,選用的互相關算法的時間測量技術在信號的抗干能力上有很大提高。

選取超聲波燃氣表中帶干擾信號的一組測量數據,通過MATLAB軟件對采用的計時技術抗干擾能力進行進一步判斷。帶噪聲的超聲波信號見圖4,帶噪聲的超聲波信號與參考波形的匹配結果見圖5。


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                                圖4   帶噪聲的超聲波信號


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                                圖5   帶噪聲的超聲波信號與參考波形的匹配結果

由圖4、5可以看出,帶有高頻的干擾信號并未影響到互相關匹配的計算,最大相關區域對應的時間軸位置不變,參考點的位置沒有改變。即渡越時間計算結果與無噪聲情況相同??梢钥闯?,互相關算法在抗干擾能力方面有很大的優點,在高頻信噪比情況下依然能實現高精度時差測量,具有很強的抗干擾性。

 2   智能超聲波燃氣表特點

 ①高計量精度

超聲波燃氣表可實現對全量程的精度準確調校,超聲波燃氣表采用的分段獨立調校誤差的設計方案,不僅可以解決小流量大流量計量準確性的問題,還可以優化計量曲線,保證計量曲線相對平直和大、中、小流量均衡的計量精度,實現全量程的精確計量,計量精度符合1.0級的標準[3-4]。較膜式燃氣表的計量誤差曲線尤其是大、小流量段的計量精度有明顯優勢。超聲波燃氣表不存在可移動部件,完全沒有機械部分或其他運動部件,不存在機械磨損。而膜式燃氣表由于薄膜材料的老化和機械轉換部件的磨損,導致計量精度不能長期保持。

 ②溫壓補償

燃氣表的結算標準工況是壓力為101.325 kPa,環境溫度為20 ℃。然而實際使用工況與標準工況相差較大,從而溫度和壓力會對燃氣計量精度產生一定的影響。對北方戶外掛表、北方壁掛爐供暖用戶、南方供熱用戶,其冬天用氣量遠遠超過其他季節用氣量,溫度補償效果明顯,對燃氣公司減小供銷差具有很大的作用。膜式燃氣表由于技術原因難以實現溫度壓力補償,而超聲波燃氣表技術上完全實現了溫度壓力修正,確保了用氣計量的準確性。  

 ③寬量程

對于北方來說冬天用氣量遠遠超過其他季節用氣量,用氣量主要由廚房用氣和供暖用氣兩部分組成,要求安裝的燃氣計量裝置的量程滿足同時供氣的需求。目前,市場上銷售的燃氣表主要有傳統的機械膜式燃氣表和新型的智能超聲波燃氣表。膜式燃氣表由于技術原因難以實現溫度壓力補償,而較窄的量程導致需要兩個量程范圍的膜式燃氣表才能滿足廚房用氣和供暖用氣計量。超聲波燃氣表能實現高性價比、高精度燃氣計量。超聲波民用表溫度使用范圍為-25~65 ℃,流量測量范圍為0.04~10 m3/h。完全滿足廚房和供暖同時用氣的測量需要[7]。

 3   智能化應用

超聲波燃氣表早期類型為IC卡表,具備了抄表和充值功能,隨著物聯網技術的快速發展,已擴展為具備物聯網功能的超聲波燃氣表,具有了遠程監控功能[6-7]??梢詫崟r抄收表內余氣量、余額、累計用量、累計金額、累計購買量等用戶數據;具有空中充值功能,可以通過網銀、手機銀行、支付寶等多種渠道實現空中充值,做到足不出戶完成充值繳費;具有自動校時功能,可以自動和服務器時間同步;具有遠程閥門控制功能,可以做到發現異常,及時關閥;具有異常信息即時上傳功能;具有遠程調價功能??梢詫χ付ǖ奈锫摼W超聲波燃氣表進行調價;具有短信提醒功能,可以提醒用戶欠費、燃氣調價、用戶充值成功等。


參考文獻:


[1]蘇文. 淺談流量計的發展及現狀[J]. 中國儀器儀表, 2002(6): 1-4.

 [2]胡海清. 振動檢測技術和渦街流量計的研究(碩士學位論文)[D]. 杭州: 浙江大學, 2007:12-36.

 [3]田野, 王岳, 郭士歡,等. 常見流量計的應用[J]. 當代化工, 2011, 40(12): 1294-1296.

 [4]崔韶鵬. 淺談電磁流量計[J]. 計量與測試技術, 2009, 36(8): 48,50.

 [5]張紅兵, 高文風, 鄭云萍. 天然氣流量計的選型和發展動向[J]. 天然氣與石油, 2003, 21(2): 41-44.

 [6]孫延祚. 氣體流量測量領域中的新技術——氣體超聲流量計[J]. 天然氣工業, 1998(3): 7-8.

 [7]熊光德. 新型天然氣超聲波流量計量技術[J]. 天然氣與石油, 2002, 20(2): 57-61.

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