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智能超声波燃气表的技术研究

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2019.10.23

作者:王秀桥,黎红军,赵晓军,方炯,胡良传

第一作者单位:保定新奥燃气有限公司

摘自《煤气与热力》2017年8月刊


1   智能超声波燃气表高精度的计时技术

在超声波流量计实际应用中,小流量状态下超声波信号的幅值比较稳定,时间测量精确度较高。但是,在大流量下受到气流以及外界因素的影响,造成超声波流量计的时间测量精度受到严重影响,带来测量误差[1-2]。

为了克服大流量下时间测量精确度低的问题,把阈值法与互相关算法相结合,可提高超声波燃气表时间测量的精确度以及抗干扰能力。

 ①阈值法

阈值法就是通过过零检测技术和阈值检测技术结合,获取电子计时的时间。当超声波信号的幅值超过设定的阈值时,此时通过过零检测电路对信号的零点进行检测。当超声波信号幅值达到并超过此阈值时,过零检测电路开启,通过检测阈值后面的第一个过零点,就可以获取超声波的渡越时间。

 ②互相关算法

互相关算法主要依据卷积定理,对同一个超声波换能器接收到的流体静态参考信号波形与动态测量信号波形进行相关算法波形匹配,通过偏移点的个数得到测量时间差值,新型相关算法时间测量原理见图1。


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                                             图1   互相关算法时间测量原理

超声波换能器A作为发射端,超声波换能器B作为接收端,以超声波信号顺流传播时间的测量为例对测量原理进行说明。首先,在流体静止状态下超声波换能器B存储静止状态下的接收波形作为参考信号波形,波形函数为X(t)。当燃气流动时,超声波换能器B接收到的信号波形为测量信号波形,波形函数为Y(t)。对于同一个超声波换能器B来说,两种流体状态下,接收到的两个超声波信号波形非常相似,只是时间上的延迟。由互相关算法理论可知,函数X(t)与Y(t)满足相关函数条件,两个波形之间的相关函数为:


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③时间测量数据分析

为了验证时间测量方法的准确性,通过时间测量实验进行对比,通过画出时间测量的离散图来进一步判断时间测量方法的可靠性及抗干扰能力。在选取流量点下,进行时间测量并进行数据分析,互相关测量方法的测量结果见图2,传统时间测量方法测量结果见图3。


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                              图2   互相关测量方法的测量结果


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                               图3   传统时间测量方法测量结果

由图2、3对比可以看出,与传统的时间测量方法相比,互相关测量方法有很高计量精度和很强的稳定性。同时,选用的互相关算法的时间测量技术在信号的抗干能力上有很大提高。

选取超声波燃气表中带干扰信号的一组测量数据,通过MATLAB软件对采用的计时技术抗干扰能力进行进一步判断。带噪声的超声波信号见图4,带噪声的超声波信号与参考波形的匹配结果见图5。


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                                图4   带噪声的超声波信号


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                                图5   带噪声的超声波信号与参考波形的匹配结果

由图4、5可以看出,带有高频的干扰信号并未影响到互相关匹配的计算,最大相关区域对应的时间轴位置不变,参考点的位置没有改变。即渡越时间计算结果与无噪声情况相同。可以看出,互相关算法在抗干扰能力方面有很大的优点,在高频信噪比情况下依然能实现高精度时差测量,具有很强的抗干扰性。

 2   智能超声波燃气表特点

 ①高计量精度

超声波燃气表可实现对全量程的精度准确调校,超声波燃气表采用的分段独立调校误差的设计方案,不仅可以解决小流量大流量计量准确性的问题,还可以优化计量曲线,保证计量曲线相对平直和大、中、小流量均衡的计量精度,实现全量程的精确计量,计量精度符合1.0级的标准[3-4]。较膜式燃气表的计量误差曲线尤其是大、小流量段的计量精度有明显优势。超声波燃气表不存在可移动部件,完全没有机械部分或其他运动部件,不存在机械磨损。而膜式燃气表由于薄膜材料的老化和机械转换部件的磨损,导致计量精度不能长期保持。

 ②温压补偿

燃气表的结算标准工况是压力为101.325 kPa,环境温度为20 ℃。然而实际使用工况与标准工况相差较大,从而温度和压力会对燃气计量精度产生一定的影响。对北方户外挂表、北方壁挂炉供暖用户、南方供热用户,其冬天用气量远远超过其他季节用气量,温度补偿效果明显,对燃气公司减小供销差具有很大的作用。膜式燃气表由于技术原因难以实现温度压力补偿,而超声波燃气表技术上完全实现了温度压力修正,确保了用气计量的准确性。  

 ③宽量程

对于北方来说冬天用气量远远超过其他季节用气量,用气量主要由厨房用气和供暖用气两部分组成,要求安装的燃气计量装置的量程满足同时供气的需求。目前,市场上销售的燃气表主要有传统的机械膜式燃气表和新型的智能超声波燃气表。膜式燃气表由于技术原因难以实现温度压力补偿,而较窄的量程导致需要两个量程范围的膜式燃气表才能满足厨房用气和供暖用气计量。超声波燃气表能实现高性价比、高精度燃气计量。超声波民用表温度使用范围为-25~65 ℃,流量测量范围为0.04~10 m3/h。完全满足厨房和供暖同时用气的测量需要[7]。

 3   智能化应用

超声波燃气表早期类型为IC卡表,具备了抄表和充值功能,随着物联网技术的快速发展,已扩展为具备物联网功能的超声波燃气表,具有了远程监控功能[6-7]。可以实时抄收表内余气量、余额、累计用量、累计金额、累计购买量等用户数据;具有空中充值功能,可以通过网银、手机银行、支付宝等多种渠道实现空中充值,做到足不出户完成充值缴费;具有自动校时功能,可以自动和服务器时间同步;具有远程阀门控制功能,可以做到发现异常,及时关阀;具有异常信息即时上传功能;具有远程调价功能。可以对指定的物联网超声波燃气表进行调价;具有短信提醒功能,可以提醒用户欠费、燃气调价、用户充值成功等。


参考文献:


[1]苏文. 浅谈流量计的发展及现状[J]. 中国仪器仪表, 2002(6): 1-4.

 [2]胡海清. 振动检测技术和涡街流量计的研究(硕士学位论文)[D]. 杭州: 浙江大学, 2007:12-36.

 [3]田野, 王岳, 郭士欢,等. 常见流量计的应用[J]. 当代化工, 2011, 40(12): 1294-1296.

 [4]崔韶鹏. 浅谈电磁流量计[J]. 计量与测试技术, 2009, 36(8): 48,50.

 [5]张红兵, 高文风, 郑云萍. 天然气流量计的选型和发展动向[J]. 天然气与石油, 2003, 21(2): 41-44.

 [6]孙延祚. 气体流量测量领域中的新技术——气体超声流量计[J]. 天然气工业, 1998(3): 7-8.

 [7]熊光德. 新型天然气超声波流量计量技术[J]. 天然气与石油, 2002, 20(2): 57-61.

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