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什么是管道超声波气体流量计 计算精度如何

时间:2018/08/21来源:未知

摘要:为了提高煤矿瓦斯抽放管道气体流量的测量精度和测量下限, 结合超声波流量计的优点和时差法检测原理设计了管道超声波气体流量计, 采用40kHz的超声波换能器作为主体元件, 设计了两级放大电路和方波脉冲产生电路, 并利用TDC-GP22实现了高精度的时间测量。经实验分析表明, 该流量计测量精度极高, 具有低至0.05m/s的测量下限, 且时间差和气体流速具有良好的线性关系。

煤矿在开采的过程中会伴随着瓦斯气体的泄露, 当瓦斯在空气中达到一定的浓度时就会出现爆炸的危险, 为了保证矿井和作业面工人的安全, 需要将泄露的瓦斯通过抽放管道排出, 为了地统计瓦斯的排出量, 需要安装高精度的气体流量计[1-2]。目前流量检测技术主要有速度式流量计、容积式流量计、差压式流量计和热式流量计等, 根据这些检测技术设计了涡街流量计涡轮流量计、均速管流量计、孔板流量计、电磁流量计和超声波流量计等多种流量仪表, 比较而言, 超声波流量计具有以下优点: (1) 适应性强, 可用于液体、气体测量, 也可用于多相介质的流量测量; (2) 准确度高, 不受温度、压力等环境因素的影响; (3) 测量范围宽, 量程比高[3-5]。鉴于超声波流量计的这些优点, 基于时差法检测原理设计了一种管道超声波气体流量计, 具有测量流速下限低和测量度高的优点, 对于计算煤矿瓦斯管道的排量具有重要意义。

1、时差法超声波流量检测原理:

  时差法超声波流量检测的工作原理是利用超声波在管道中沿顺流方向和逆流方向的传播速度不同, 顺流传播时间和逆流传播时间会存在时间差, 而时间差和管道内的气体速度有关, 因此只需要测量时间差就可以求出气体流速, 进而根据管道截面积求得气体流量[6]。时差法超声波气体流量检测的基本原理如图1所示。

  图1中, θ是管道中气体流向与超声波传播方向的夹角, 2L是超声波换能器T1和换能器T2之间的声程。假定超声波在静止气体中的传播速度为C, 超声波顺流从T1传播到T2的时间为t1, 逆流从T2传播到T1的时间为t2, 则顺流和逆流的传播时间分别为:

图1 时差法超声波流量检测工作原理

图1 时差法超声波流量检测工作原理

 

计算公式

 

顺流和逆流传播的时间差Δt为:

计算公式

 

在一般的工业测量中, 声速C远远大于气体速度V, 因此C2>>V2cosθ, 因此式 (3) 可以简化为:

计算公式

 

由式 (4) 可得到管道内的气体流速和流量公式:

计算公式

 

式中, Q表示流量, m3/h;D表示管道内径, m。通过式 (5) 和式 (6) 即可计算出管道内的气体速度, 进而求出管道内的气体流量[7]。

2、管道超声波气体流量计设计:

2.1、管道超声波气体流量计硬件设计:

基于图1所示的时差法超声波气体流量检测原理, 设计了管道超声波气体流量计, 管道超声波气体流量计主要由驱动及切换电路、信号处理电路和计时电路及CPU控制系统四部分组成, 硬件原理框图如图2所示。其中国足球协会超级联赛声波换能器采用收发一体式压电陶瓷换能器, 工作频率为40k Hz。

图2 管道超声波气体流量计的硬件原理框图

图2 管道超声波气体流量计的硬件原理框图

 

  首先CPU产生40k Hz的方波脉冲送入超声波驱动电路中, 同时启动时间数字转换芯片TDC-GP22开始计时, 然后由发射和接收切换电路交替选择换能器T1和T2处于发射状态和接收状态, 完成一次顺流时间测量和逆流时间测量, 换能器接收到的原始信号经过两级放大电路后送入比较器中产生方波脉冲, 时间数字转换芯片TDC-GP22通过内部设置的屏蔽时间固定检测比较器产生的方波脉冲的第n个波形作为计时停止信号, 再由CPU读取TDC-GP22的时间测量结果, 即时间差, 通过内部程序计算出管道内气体风速, 得出气体流量[8]。

  超声波驱动电路采用推挽输出方式, 由CMOS芯片74HC00和74HC04构成, 经过推挽驱动电路后, 产生幅值为20V的40k Hz方波脉冲信号用于驱动超声波换能器工作, 提高其发射功率;发射和接收切换电路采用TI的四位总线开关芯片SN74LVC3125, 其导通电阻小, 可以减小功率损耗;两级放大电路采用AD企业的放大器AD620构成, 每级的放大倍数为100倍, 经过两级放大电路后可以实现对超声波接收信号的10000倍放大;方波产生电路采用单稳态触发器4013, 一旦检测到接收信号的上升沿后即可触发产生一列方波脉冲信号提供给计时电路作为计时的停止信号。

  硬件电路中***核心的部分为时间数字转换芯片TDC-GP22构成的计时电路, 利用其测量范围可实现500ns~4ms的时间计时, 计时精度高达45ps, 而且TDC-GP22内部高度集成化, 外部只需要晶振和电容即可设计出高精度的时间测量系统, 为达到测量时间差, 利用了TDC-GP22提供的时间屏蔽窗口功能, 设置屏蔽时间实现固定波形检测。

2.2、管道超声波气体流量计App设计:

  App设计主要实现超声波驱动的40k Hz脉冲产生、TDC-GP22芯片控制和气体风速与流量计算功能。App设计的程序流程如图3所示。

  40k Hz方波脉冲通过CPU定时器产生, 实现了的脉冲频率控制;TDC-GP22芯片控制主要实现TDC-GP22芯片计时开始启动和TDC-GP22接到计时停止信号后读取其内部寄存器内的时间差测量值;气体风速与流量计算由内部程序设计的算法完成, 根据TDC-GP22测量的时间差计算出气体风速, 再根据气体风速和管道内径计算出气体流量。

图3 程序流程图

图3 程序流程图 

 

3、测试结果与分析:

  在实验室环境下, 对根据图2所设计的管道超声波气体流量计进行了测试, 测试风速与对应的时间差关系见表1。

表1 测试风速与对应的时间差关系

表1 测试风速与对应的时间差关系

  通过表1的数据可以看出, 所设计的超声波气体流量计的风速分辨力非常高, 由于测量装置的限制, 在0.13m/s风速处, 时间差变化达到约0.3μs, 因此即使该流量计的时间分辨力达到0.1μs, 也可实现0.05m/s的风速测量, 测量下限非常低。对比表1中的数据进行线性数据拟合, 拟合曲线如图4所示。

  由表1和图4可以看出, 时间差和管道内气体风速呈线性关系, 且线性非常好, 这也大大简化了风速测量算法, 只需要通过固定的线性关系即可由时间差确定管道内的气体风速, 且测量误差非常小。

图4 线性拟合曲线

图4 线性拟合曲线

4、结语:

  根据时差法超声波检测原理, 利用收发一体式超声波换能器作为探测元件, 设计了推挽输出方式的超声波驱动电路, 利用AD620和单稳态触发器4013设计了超声波接收信号放大电路及方波产生电路, 通过高精度的时间数字转换芯片TDC-GP22实现了的时间测量。经过实验表明, 该超声波气体流量计可实现低至0.05m/s风速的测量, 对于提高测量煤矿瓦斯抽放管道气体流量的计算具有重要意义。


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