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        礦用超聲波管道流量計的研制

        發布時間:2019-10-06 09:40:45 瀏覽:

        煤礦排水系統中, 管道流量計作為一種流量測量儀表, 具有精度高、穩定性好、安裝方便等優點, 在煤礦自動化排水、水文監測等監測監控系統中得到了廣泛的應用[1,2]。目前, 多數管道流量計都是以時間差法作為測量原理, 并采用TDC-GP2系列芯片對超聲波傳播時間進行測量[3,4]。這種測量方案具有電路設計簡單、功耗低、測量重復性好等特點, 但在環境噪聲較大的情況下, 會導致超聲波首波識別時出現1 μs左右的誤差, 從而導致測量時間差不準確。針對上述問題, 本文基于脈寬調制法對流量計測量方案進行了研究, 并對儀器進行了防爆設計。試驗表明, 該流量計具有精度高、可靠性高等特點, 并可有效避免噪聲對超聲波首波識別造成的誤差。

        1 流量測量原理

        目前, 利用超聲波測量管道流量的方法主要有時間差法和多普勒法兩種。其中, 多普勒法是當被測液體中含有微?;驓馀輹r, 超聲波在水中經微粒反射后產生多普勒頻移, 通過該頻率差即可求出液體的流速。

        多普勒法具有測量原理簡單, 易實現等優點, 但要求被測液體不能是清水, 又不能過于渾濁。而在煤礦井下, 被測液體中往往含有大量的泥沙和煤渣, 從而造成多普勒法測量精度下降。因此, 基于煤礦井下特殊的工作環境, 本文采用時間差法對流量計進行設計和論述。

        1.1 時間差法

        超聲波流量計按換能器安裝方式不同可分為“Z”型和“V”型兩種, 但測量原理相同, 因此本文以“Z”型為例, 如圖1所示[5]。

        圖1 “Z”型安裝流量計示意圖

        1 “Z”型安裝流量計示意圖   下載原圖

        圖中箭頭所指方向為液體流動方向。測量時首先由上游換能器Eup發射超聲波, 下游換能器Edown接收回波;然后由Edown發射, Eup接收回波。圖中液體的流速為v, 管道內徑為D, 換能器與管道的夾角為θ, 設聲波在液體中的傳播速度為c, 則聲波在上下游傳播的時間差為[6,7]:

        Δt=2Dvcosθsinθ(c2?v2cos2θ)?????????(1)Δt=2Dvcosθsinθ(c2-v2cos2θ)(1)

        則可得到液體流速:

        v=c2Δt2Dtanθ?????????(2)v=c2Δt2Dtanθ(2)

        再根據管道截面積對速度在時間域上進行積分就可得到被測管道中液體的流量值。

        1.2 閾值法原理分析

        如上所述, 時間差法測量流量的關鍵是如何測量超聲波在液體中的傳播時間。目前使用較多的時間測量方法是閾值法配合TDC系列芯片進行測量[8,9], 其測量原理如圖2所示。

        圖2 閾值法測量原理圖

        閾值法測量原理圖   下載原圖

        理想情況下, 順流測量時, 可對TDC芯片閾值進行設定, 當芯片接收到回波時, 可自動將回波峰值與設定閾值進行比較, 當回波超過閾值時, 則認定為第一波有效值。此時, 芯片會自動對后續波形進行過零比較, 并得到過零點時刻T1、T2、T3, 并取平均值, 即為順流傳播時間。逆流時間測量原理相同。通過將順流時間與逆流時間取差值, 即可得到超聲波傳播時間差。

        但當環境噪聲較大時, 如圖3所示, TDC芯片會將第一個波形當作有效值與閾值進行比較, 得到的Tb、Tc、Td, 此時計算出的時間值會有1μs的誤差[10], 而一般超聲波在流體中傳播時間為ns級, 因此μs級誤差已超出允許范圍。

        圖3 環境噪聲對閾值法影響示意圖

        環境噪聲對閾值法影響示意圖   下載原圖

        2 基于脈寬調制礦用流量計

        2.1 總體方案設計

        為了解決傳統時差法測量方案中噪聲造成的超聲波回波誤識別問題, 本文對超聲波接收回波部分進行了研究, 其核心思路為:超聲波換能器接收到超聲波回波信號后, 將超聲波信號轉換為脈沖信號, 并通過調理電路進行脈寬調制, 將脈沖信號轉換為電壓信號進行測量。

        另一方面, 由于流量計是用于煤礦井下含有煤塵、瓦斯等爆炸性氣體環境中, 因此按照《GB3836-2010國家防爆標準》要求對流量計外殼結構及本安電路進行了設計。流量計總體結構框圖如圖4所示。

        圖4 流量計總體結構

        流量計總體結構   下載原圖

        2.2 脈寬調制電路設計

        流量計脈寬調制電路是基于D觸發器進行設計實現的, 電路圖如圖5所示。

        測量時, 首先上游換能器發射超聲波, 將下游換能器接收到的回波信號接入D觸發器的CLK引腳。此時通過單片機控制觸發器工作時間, 在接收回波信號幅值較大時開始脈寬調制。而控制發射換能器的信號同時接入觸發器置零端, 調整脈寬輸出信號占空比。

        圖5 脈寬調制電路

        脈寬調制電路   下載原圖

        圖6為脈寬信號輸出后接入的電壓轉換電路, 此電路為鏡像恒流源電路, 可對測量電容C23進行恒流充電, 電容充電可由式 (3) 得到, C為電容值;I為充電恒流值。C23上的電壓與充電時間成比例關系, 接入單片機可對電容積分電壓進行測量, 進而求得回波信號的脈沖寬度。

        設超聲波在管道中上下游傳播時間差為Δt, 則可由積分電壓推導出:

        Δt=C10I(Uup?Udown)?????????(3)Δt=C10Ι(Uup-Udown)(3)

        圖6 電壓轉換電路

        電壓轉換電路   下載原圖

        2.3 防爆外殼結構設計

        在煤礦井下, 流量計通常使用在監測監控系統中并且長時間工作, 而井下使用的是127 V~1 140 V交流電, 如果使用時為流量計單獨配備一臺本安電源, 會造成成本的和安裝難度的增加。因此, 流量計外殼采用隔爆型外殼設計, 交流127 V輸入, 并采用4個霍爾器件作為操作按鍵, 使用專用磁力筆進行參數設置等操作, 進一步提高了流量計的可靠性。流量計外觀如圖7所示。

        圖7 超聲波流量計外觀

        超聲波流量計外觀   下載原圖

        2.3 本安電路設計

        流量計整機防爆型式為礦用隔爆兼本安型, 其中超聲波換能器設計為本質安全型, 因此, 根據防爆標準, 必須對儀器的對外輸出電路進行防爆設計[9,10]。

        在流量計電路中, 換能器驅動電路直接與換能器連接, 作為主機對外輸出電路, 需對這部分電路進行本安設計。設計時采用可控硅并聯穩壓二極管的方式作為限壓限流措施, 并采用二級保護。當發生短路或過壓時, 保護電路會自動切斷電路輸出, 從而達到輸出本質安全的目的。保護電路如圖8所示。

        3 試驗結果

        為了驗證儀器實際工作性能, 在儀器設計完成后, 前往計量院進行了精度實驗認證。實驗時采用標準水流量計量裝置[11,12,13,14], 準確度等級為0.05級, 實驗管徑為DN200, 測量流速范圍為0.5~5m/s。測量時分別在0.5 m/s、2 m/s、5 m/s處進行測量和記錄, 并與標準值進行對比, 每個測量點分別測量5次取平均值。測量結果如表1所示。

        圖8 本安電路

        本安電路   下載原圖

        精度實驗結果 導出到EXCEL


        標準流速
        / (m/s)
        實際流速
        / (m/s)
        相對示值
        誤差/%
        重復性
        誤差/%

        5
        4.984 -0.3 0.496

        2
        1.988 -0.6 -0.8

        0.5
        0.496 0.09 0.02

        誤差計算參照國家計量檢定規程《JJG 1030-2007, 超聲流量計》進行計算, 流量計相對示值誤差為[15]:

        Ei=Vi?(VS)i(VS)i?????????(4)Ei=Vi-(VS)i(VS)i(4)

        式中, Ei 為第i檢定點被檢流量計的相對示值誤差, %;Vi為第i檢定點流量計顯示的瞬時流速, m/s; (Vsi為第i檢定點標準器換算到流量計處狀態的瞬時流速, m/s。

        當每個流量點重復檢定n次時, 該流量點的重復性按式 (5) 評定:

        (Er)i=[1(n?1)∑nj=1(Eij?Ei)2]12?????????(5)(Er)i=[1(n-1)∑j=1n(Eij-Ei)2]12(5)

        式中, (Eri為第i檢定點重復性;Eij為第i檢定點第j次檢定相對示值誤差。

        由表1可看出, 各測量點最大相對誤差為-0.8%, 則流量計準確度可認定為1.0級。

        4 結 論

        本文分析比較了利用超聲波測量液體流量的不同測量方法, 并根據煤礦井下的工作環境, 基于時差法論述了礦用超聲波管道流量計的設計與實現。通過分析當環境噪聲較大時, 傳統時差法在測量超聲波傳播時間差時存在誤差的原因, 提出采用基于脈寬調制的方法對超聲波傳播時間進行測量, 并對脈寬調制電路進行了設計和分析。此外, 為了滿足煤礦井下對儀器的防爆要求, 采用可控硅并聯穩壓二極管的方式對儀器本安電路進行了設計, 使儀器適用于煤礦井下含有甲烷、煤塵爆炸等危險場所。通過計量機構試驗認證, 證明本文研制的流量計在0.5~5 m/s范圍內最大相對示值誤差為-0.8%, 重復性誤差不超過0.09%, 認定測量等級達到0.1級, 具有較好的測量精度和較高的穩定性、可靠性, 為煤礦井下液體管道流量測量提供了可靠的裝備, 具有良好的市場價值和現實意義。

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