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超声波旋涡热量表流量计量原理及优化设计

时间:2018/05/03来源:未知

摘 要: 超声波旋涡热量表的流量计量基于卡门涡街理论与超声波检测技术。分析超声波旋涡热量表流量计量原理、旋涡频率数字化测量技术,对超声波旋涡热量表的优化设计进行了探 讨。

1、概述:

  近年来,计量供热对热计量装置的需求带动了生产厂家对热计量装置的研发兴趣与力度。国内外许多厂家相继推出了各具特色的超声波热量表( 流量计量装置采用超声波流量计的热量表) 产品,也极大地促进了计量供热工作。
  超声波流量计对流量的测量是基于对线性流速的测量,被测管段截面流速的不规则分布易使测量结果出现较大的误差,在小管径、低流速环境下也易造成测量误差增大。针对以上问题,各生产厂家采取了不同改进技术和补偿算法,使得以上问题得到了一定改善。其中,具有代表性的是超声波旋涡流量计,将超声波测量技术与涡街流量测量( 基于卡门涡街原理)   结合起来,兼具超声波流量计与涡街流量计的特征,可较好地解决超声波流量计的一些固有问题。
  实际上,超声波旋涡流量计已有多年的发展历史,在 20 世纪 80 年代,日本横河企业就推出了超声波旋涡流量变送器,面向洁净液体的流量测量。21 世纪初,艾默生集团旗下的俄罗斯 METRAN 集团将超声波旋涡流量计引入计量供热领域。但以上这些超声波旋涡流量计采取了模拟相位调制方式,存在功耗大、相位差分辨率低、旋涡频率信号动态范围大且易受流体振荡影响等不足,从而限制了在热量计 量方面的应用。随着超声波流量测量时间芯片、数 字信号处理技术的应用,超声波旋涡流量计测量功 耗更低( 以满足计量供热对电池续航能力的要求)  , 测量范围更宽,抗干扰能力更强,精度更高,长期稳 定性更好,使超声波旋涡热量表在计量供热行业的 应用成为可能。本文对超声波旋涡热量表流量计量 原理及优化设计进行探讨。

2、超声波旋涡流量计工作原理:
  根据 CJ 128—2007《热量表》,热量表是根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度信号,以及水流经的时间,通过计算器计算并显示该换热系统所释放或吸取的热量。释放或吸取的热量 Q 的计算式为:
Q = qm Δhdt =
t0 t0
ρqΔhdt ( 1)
式中 Q———释放或吸取的热量,J
t1 、t0 ———计量结束、开始时间,s
qm———流经热量表的水的质量流量,kg / s
Δh———热量表进出水比焓差,J / kg
t———时间,s
ρ———水的密度,kg / m3
q———流经热量表的水的体积流量,m3 / s
  由式( 1) 可知,热量测量的核心仍是流量测量。超声波旋涡流量计主要基于卡门涡街(  也称卡门旋涡,以下简称旋涡)  流量测量原理,具有涡街流量计的全部技术特征。测量管段中旋涡的生成见图 1。
图 1 测量管段中旋涡的生成
图 1 测量管段中旋涡的生成
  在测量管段中,竖直地放置一个非流线型阻流体( 旋涡发生体) ,随着流体的流动,当流体雷诺数达到一定值时,在旋涡发生体两侧就会交替分离出卡门涡街。旋涡频率 fv 与流经旋涡发生体两侧流体的平均流速 u1 之间的关系为:
f = Sr·u1 v d
( 2)

式中 fv ———旋涡频率,Hz
Sr———流体斯特劳哈尔数
u1 ———旋涡发生体两侧流体的平均流速,m / s
d———旋涡发生体迎流面的宽度,m
设测量管段内直径为 D,旋涡发生体两侧弓形流道截面积与测量管段截面积之比为 m,则有:
m = 1 - 2 d 
1 - (  d )2   + sin  1  d ]
( 3)

式中 m———旋涡发生体两侧弓形流道截面积与测
量管段截面积之比
D———测量管段内直径,m
根据流体连续性原理,有:
u  = u 
1 m
式中 u———测量管段内流体的平均流速,m / s
则有:
f = Sr·u
md
测量管段内流体瞬时体积流量 qin 的计算式为:
πD2 u π
D2
qin = 4 = 4Sr mdfv ( 6)
  式中 qin ———测量管道内流体瞬时体积流量,m  / s由式( 6 ) 可知,对于确定的测量管段,内直径D、旋涡发生体迎流面宽度 d 一定,因此流体瞬时体积流量 qin 与旋涡频率 fv 的变化趋势一致。设定流体雷诺数在一定范围内( Sr 为常量) ,只要测量出旋涡频率 fv ,就可计算出流体瞬时体积流量 qin 。因此,涡街流量计对流体流量的测量,归结起来是对旋涡频率 fv 的测量。而旋涡频率 fv 仅与流体平均流速 u、旋涡发生体迎流面宽度 d 有关,与被测流体的特性和组成无关。
  超声波旋涡流量计测量原理见图  2。在测量管段内旋涡发生体产生的旋涡,随尾流向下游运动,在旋涡发生体后侧及下游形成振荡尾流。超声波探头( 探头 A、B) 轴线与旋涡发生体轴线垂直,并基本处于旋涡中心位置。
图 2 超声波旋涡流量计测量原理
图 2 超声波旋涡流量计测量原理
设定超声波信号从探头 A 发射,由探头 B 接收。在无旋涡作用时,到达探头 B 处的超声波信号
声功率 PB 要延迟一个相位 φ,即:
PB = P0 sin( 2πfc t + φ) ( 7)
2πf D
 φ = c
式中 PB ———到达探头 B 处的超声波信号声功率,
W
P0 ———声功率的幅值,W
fc ———超声波频率,Hz
φ———无旋涡作用时,超声波信号从探头 A
到探头 B 产生的相位差,rad
c———声速,m / s
  当测量管段内有流体流动,满足产生旋涡条件时,在超声波探头超声声道方向,旋涡振荡与超声波声束相互作用,旋涡对声束产生调制。当交替的旋涡通过声束时,顺时针和逆时针旋转的旋涡会使超声传播得到交替的加速和减速: 顺时针旋转的旋涡使声传播获得加速,相位提前; 逆时针旋转的旋涡使声传播减速,相位迟后。在旋涡作用下,到达接收探头 B 的超声波信号声功率 PB,w 的计算式为:
PB,w = P0 sin( 2πfc t + φ + θ) ( 9)
θ = 2πfc ( D ± D )
c c + uv

式中 PBw ———在旋涡作用下,到达接收探头 B 的超声波信号声功率,W
θ———旋涡作用产生的相位,rad
uv ———旋涡的旋转速度在垂直方向的分量,
m / s
当产生的旋涡顺时针旋转时,式( 10) 中 ± D 
v
取“ - ”号; 当产生的旋涡逆时针旋转时,取“ + ”号。这样,当交替旋涡通过声束时,超声波传播速度
交替地变化,到达接收探头 B 声信号的相位也交替地变化,从而产生了相位调制信号,相位调制的频率就是旋涡的频率,即:
Δθt = Δθmax sin( 2πfv t + Δθ0 ) ( 11)
Δθmax = CDfv ( 12)
式中 Δθt ———任意时刻超声波信号相位差,rad
Δθmax ———相位差幅值,rad
Δθ0 ———相位差初值( 零流速时超声波发射接收相位差) ,rad
C———相位差幅值常数( 根据不同管径实测值选取) ,rad / ( m·Hz)
  由式( 11) 可知,超声波旋涡流量计测量的核心是测量任意时刻超声波相位差 Δθt ,从中解调出旋涡频率信号。由式( 12 ) 可知,相位差***大值 Δθmax 即旋涡信号的幅值,与当前旋涡频率( 即流体流速) 成线性关系。当测量流速范围较大时,可利用旋涡信号相位差幅值和频率特性,动态调整信号测量放大倍数,可对噪声信号进行有效抑制。

3、旋涡频率数字化测量技术:
3.1 、硬件设计:
  由式( 12) 可知,超声波发射 - 接收的相位差幅值 Δθt 与测量管段内直径、当前流体流速成线性关系。当测量小管径、低流速时,由于相位差幅值很小,以前的相位差检测技术( 模拟相位调制方式) 达不到很高的分辨率,因此限制了其应用。超声波旋涡热量表采用了 UTA6902 芯片,该芯片集成高精度时间测量单元、高速脉冲发生器单元、温度测量单超声波旋涡热量表的微处理器采用基于 nano- Watt XLP 技术的低功耗高性能单片机,该单片机功耗低,片内资源丰富,接口多且灵活机动,使用方便。
  微处 理 器 通 过 SPI 接 口 ( 串 行 外 设 接 口) 与UTA6902 芯片相连,控制 UTA6902 芯片定时发射 1MHz 超声波信号,对超声波接收信号进行放大并转换为方波信号,检测超声波发射信号与接收信号的相位差,经过微处理器的数字信号处理,DA( 激励放大器) 实时输出复现旋涡调制信号,经二阶程控带通滤波器滤波处理,得到洁净规则的旋涡交流信号, 经施密特电路转换为方波信号,再送回微处理器进 行 CCP 模块( 捕获、比较、脉宽调制功能模块) 处理, 从而测量出旋涡频率。

3.2、数字化测量措施:
  对旋涡频率信号数字化测量的理想方案是采用频谱分析技术,具有硬件简单、抗噪声能力强等特点,但鉴于旋涡频率信号的大动态范围、低频信号特征,采用频谱分析需要较多的采样点,在信号处理的实时性、功耗等方面满足不了计量供热的要求。因此,大家采用数字测量及数字滤波处理,之后将数字输出量转换为模拟信号,从而进行实时测量,兼顾数字处理和测量实时性。针对旋涡频率信号的具体特征,测量中采取以下措施。
① 措施 1
分频带采样和输出增益控制。超声波旋涡流量 计对任意时刻超声波信号相位差的采样周期设置是 功耗管理及气泡干扰抑制的共同结果。根据香农采 样定理,为满足***大流量的测量,采样频率至少应是 旋涡频率上限的 2 倍以上。实际上为确保不失真采样,采样频率至少应达到信号频带上限的 4 倍以上。若采用定采样频率,在低流速测量时,过高的采样频  率既无必要,又增加功耗,过于密集的采样对流体中 气泡形成的干扰更敏感。为此,根据小波算法原理[2],把整个测量范围划分为4 个频带,每个频带有各自的采样频率( 采样频率为该频带上限的 8 倍) [3],较好地解决了这一问题。
  其次,在不同的频带,采用不同的输出增益,使得在低流速时,输出信号有较大的增益。高流速时, 降低输出增益不至于饱和,从而有效抑制了高流速 时流体的寄生喘动对旋涡频率信号的扰动。
② 措施 2
程控带通滤波器使输出信号洁净稳定。旋涡频率信号通过 DA 输出解调时,通过程控带通滤波器滤波( 在 4 个频带中选 1 个频带) ,使当前旋涡频率信号受低频流体扰动干扰和高频测量噪声影响降为较低。根据程控带通滤波器参数配置,4 个频带的边带重叠率为 25% ,相邻频带有一定的滞调区,以避免频繁地切换频带。
③ 措施 3
超声波信号相位差采样采用二次多项式拟合滤 波[4]。超声波信号相位差经微处理器离散化采样, 充分利用数字信号处理的优势,对采样相位差进行 二次多项式拟合滤波。
④ 措施 4
气泡及电气尖峰干扰抑制、空管检测。超声波信号检测对流体中的气泡干扰十分敏感,另外电气尖峰干扰也容易使时间测量单元出现错误。为解决这一问题,超声波信号相位差采样时引入尖峰干扰剔除措施。
由式( 11) 可知,若采样频率为该频带上限的 8 倍,则采样间隔相位差***大步进值的计算式为:
Δθs = Δθmax sin(2πfv  1 ) = 0. 707Δθmax ( 13)式中 Δθs ———采样间隔相位差***大步进值,rad当超声波信号相位差进行逐点采样时,若受到 气泡或电气尖峰干扰,导致采样步进值超过 Δθs ,则采用之前测量值的步进值均值替代本次的超限值。实践证明,此办法对流体中的气泡含量的增多以及 电气尖峰干扰能起到有效抑制。超声波接收信号检 测多次超时( 接收不到超声波信号) ,或气泡超限频次超过允许值,说明流体气泡率太高不能进行正常检测,设备则进入空管状态,待恢复正常后再进行测量。
⑤ 措施 5
  扫描测量与跟踪测量相结合。设备在“无流 量”状态,从高频段到低频段递减循环扫描测量,一 旦扫描到流量信号,进入“有流量”跟踪测量状态, 跟踪当前测量点进行频带滑动测量。若检测到超声 波信号相位差超过该频带上下限,说明流量突变使 跟踪测量丢失,超声波旋涡流量计将重新进入扫描 状态捕捉旋涡频率再进入跟踪测量,从而避免频带 锁死。
措施 6
  块输出及点输出模式,实现较高频率和低频率测量。在小管径、高流速时旋涡频率较高,因此需要很高的采样频率,需要高速采样和快速运算。在大管径、低流速时采样频率很低,有充裕的时间进行采样和数据处理。为尽可能降低超声波旋涡流量计功耗,兼顾流体高速与低速测量,在测量中设置了块输出、点输出两种模式。采样频率较高时,采取块采样、块计算、块输出的模式; 采样频率较低时,采取点采样、点计算、点输出的模式,从而实现较高频率和低频测量。
措施 7
  旋涡频率的中值滤波和惯性滤波,保证测量数据的平稳性。旋涡频率信号经施密特触发电路转换为方波后,由微处理器捕捉,得到一系列脉宽值,进行中值滤波,取中间值进行输出,增强了测量的稳定性。对测量中间值再进行惯性滤波,使流量输出数据进一步趋于平稳。

3.3、测量精度提高途径:
  超声波旋涡流量计仪表系数根据雷诺数变化在线实时补偿,提高了全量程范围内的测量精度。由式( 6) 可知,超声波旋涡流量计对流量的测量仅与旋涡频率相关是建立在斯特劳哈尔数 Sr 为常量的基础之上。但实际上,Sr 趋于常量是在一定的雷诺数范围内。由 Sr 与 Re 的关系曲线可知,在低雷诺数或高雷诺数时,由于 Sr 的非线性带来的测量误差增大,其中低雷诺数的影响***为显著。因此,为提高测量精度,根据雷诺数对仪表系数进行在线补偿十分必要。
雷诺数表达式为:
Re = uD
v
式中 Re———流体雷诺数
v———流体的运动黏度,m2 / s
  对于压力 0. 6  MPa、温度 10  ℃ 的水,其运动黏度为 1. 306 × 10 - 6 m2 / s,而相同压力下 80 ℃ 的水运动黏度为 3. 730 × 10 - 7  m2 / s,二者比为 3. 5 左右。由此可知,相同内直径、相同流速下,流体运动黏度 对流体雷诺数的影响十分显著。为降低雷诺数的变 化对超声波旋涡流量计测量精度的影响,应采取雷 诺数在线补偿仪表系数措施,从而保证了超声波旋 涡流量计在实际工况下的测量精度与标定时的精度

趋于一致,输出结果的真实性得以保证。
标定时针对大流量范围以及仪表系数的非线性,进行分段非线性修正,从而保证了仪表在全流量范围内的测量精度。
 
4、超声波旋涡热量表的优化设计:
4.1、温度测量:
  超声波旋涡热量表除流量测量外,另一项关键 功能是水温测量。利用 UTA6902 芯片自带的高精度温度测量单元,采用 PT1000 铂热电偶测量水温, 具有测量精度高、功耗低等优点,较好地满足了热量 计算的需要。
4. 2、功耗管理:
  超声波旋涡热量表对超声波信号测量频率要比常规超声波热量表高出许多,因此功耗管理是超声波旋涡热量表一项重要内容。功耗管理主要采取以下措施。
① 在具备外供电的条件时,如配置了 RS485 通信或 MBUS 通信线路的场所,超声波旋涡热量表将从通信线路取电,经供电隔离处理后向测量电路供电,此时大容量锂电池处于备用状态。
② 超声波信号发射、接收电路仅在采样时短暂供电。
③ 微处理器采用变频功耗控制模式,高频测量时高速间歇运行,低频测量时降低主频,进一步降低功耗。
④ 在锂电池供电状态下,超声波旋涡热量表可设置深度睡眠状态、活跃状态。进入供暖期自动唤醒进行测量,非供暖期进入深度睡眠,功耗极低。
4. 3、超声波探头:
  超声波发射、接收探头是超声波旋涡流量计的 核心部件,其性能和可靠性直接影响整体性能,为此 超声波旋涡热量表对此进行了优化设计: ①优化探头的壳体结构和安装方式,使探头发射和接收振动 膜尽可能接近谐振状态,从而降低了探头发射功率, 提高接收探头信号幅值。②优化探头的阻尼设计, 使探头的启振更迅速。③探头壳体采用 IP68 防水等级封装,避免探头受潮而影响性能。
在旋涡的正反方向旋转作用下,超声波探头被交替冲刷,使探头具备了自清洁功能,解决了探头易结垢的问题。
4. 4、热量表前后直管段要求:
  超声波旋涡热量表的流通体端面( 与管道连接的出入口) 采用锥形同心收缩流线型过渡的结构设计,在提高小流量测量能力的同时,有利于调整测量管内的流速分布,稳定流场,适当降低了对安装前后直管段的要求。可实现热量表前 5 倍管道公称直径,表后 2 倍管道公称直径的直管段安装要求,使现场安装条件更加宽松。
4. 5 其他功能
显示功能
  超声波旋涡热量表显示直观,在一块显示屏上 有仪表状态显示、数据显示、单位和显示窗类别等。多级选单显示: 主选单下可切换显示热量表测量的各种通用数据,二级选单下可选择显示实时数据,包 括时、日、月统计数据和仪表标定窗口等。
日历时钟和数据储存
  超声波旋涡热量表具备日历时钟,在日历时钟的控制下,可控制热量表进入深度睡眠状态( 停止测量) 或活跃状态( 正常测量) 。可将实时数据、统计数据定时储存到 FRAM( 磁性随机存取储存器) 中,即使失电也不会丢失。
通信
  仪表具有双串口,串口 1 作为红外通信串行口, 采用 MBUS 协议,主要用于仪表的配置和测试。串口 2 作为远程通信专用接口,根据需要可配置为通过 RS485 接口进行 ModBus 协议通信、通过二线制
MBUS 接口进行 MBUS 协议通信,以适应不同的现场通信条件。
参数设置
  仪表的各种工作参数,均可通过 ModBus 或MBUS 专有命令进行调整、设置,需要说明的是,一旦仪表实行一次“出厂启用”命令,与计量性能相关的参数则不可再次改写。
自检功能
 仪表设计了完善的自检功能,通过自检命令,可模拟在线实时测量状态,对设备进行全面自检,可快速确定仪表异常情况及故障点,易于维护。
 
5、结语:
  超声波旋涡热量表已实现批量化生产 6 a 以上,主要应用于热力站、楼栋热力入口热计量,计量精度理想,得到了用户好评。绝大多数的仪器仪表存在适用范围,对于超声波旋涡热量表,适用的供热管道公称直径范围为 32~ 600 mm。

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