CN104501885A - 基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置，该方法通过放置两个压电传感器，检测两个反相振动信号，通过低功耗、低输入阻抗的电路，精确提取流体的振动信号，并通过两路信号的融合，去除信号的噪声，提高测量的精度以及测量的量程比；装置由射流基表和射流二次仪表组成，射流基表包括喷嘴、侧壁、安装槽、压电传感器、反馈通道、壳体和分流劈，射流二次仪表包括单片机、传感器信号处理电路、与门电路、存储电路、按键电路、脉冲输出电路和段码显示电路。本发明环境适应性强，采用低功耗设计理念，可实现电池供电。工作稳定，成本低，精度高，测量精度优于1%，量程较大，可高达40:1。

Description

基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置

技术领域

本发明属于天然气流量计量技术领域，涉及一种基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置。

背景技术

天然气作为一种清洁能源，其能量较其他化石能源具有更高的利用效率，对国家工业生产和民用生活的影响越来越大。因此，其市场占有份额在逐年增加。计量作为工业的“眼睛”，在天然气的开采、运输、存储、贸易和使用的过程中，有着不可替代的作用。因此，天然气的计量工作是对天然气进行科学管理的一项重要技术工作。当前在国家工业生产和民用生活中，尤其是在小流量的情况下，膜式燃气表市场占有率很大。但是，膜式燃气表作为机械式燃气表具有使用寿命短的致命缺点，而且，其计量精度受机械加工精度的影响，工作温度范围小。而射流流量计几乎没有压损，无机械可动部件，可靠性高，同时射流流量计测量下限低，但在低流速时信号很容易受到外界干扰。

现有的射流流量计一般采用差分放大技术来提取信号，采用这种方法的优点是微弱信号放大能力强；缺点是在空气中时容易将工频信号放大出来，容易造成流量误计量。而采用相关放大技术的射流流量计有比差分放大技术更好的信号放大性能，下限性能更加良好，放在空气中时也能抑制工频噪声干扰防止误计量，但是很难实现测量的低功耗。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置，该方法通过放置两个压电传感器，检测两个反相振动信号，通过低功耗、低输入阻抗的电路，精确提取流体的振动信号，并通过两路信号的融合，去除信号的噪声，提高测量的精度以及测量的量程比；装置由射流基表和射流二次仪表组成，射流基表包括喷嘴、侧壁、安装槽、压电传感器、反馈通道、壳体和分流劈，射流二次仪表包括单片机、传感器信号处理电路、与门电路、存储电路、按键电路、脉冲输出电路和段码显示电路。装置以单片机为核心，采用电荷放大电路采集压电传感器信号，二阶切比雪夫低通滤波电路对信号进行滤波放大，再运用滞回比较电路产生脉冲信号，单片机通过采集脉冲信号的频率获得流速值，结合单片机的定时功能，流速值对时间积分，就可得知一段时间内天然气的累积量。

本发明具体是将以射流振荡元件为核心的基表安装在天然气管道的主通道上，在射流振荡元件的两个反馈通道内分别对称放置两个压电传感器，用以感知流体的振荡频率，传感器信号处理电路将压电传感器的输出信号转换成脉冲信号，便于单片机采集，然后单片机通过公式(4)求出流速值，结合单片机的定时器功能，即可求出流体一定时间内的累积量，并将累积量显示在段码显示器上。与门电路用于消除干扰信号的影响；存储电路用于存储流量计的仪表系数、累计流量和系统参数，而且能够实现数据的掉电保护功能。按键电路能够实现仪表系数、输入脉冲频率、流体流速和流体的累积量之间的切换显示和系统参数的修改。脉冲输出电路能够实现流量计的校准，而且此脉冲输出具有隔离作用，能够减弱工业现场的干扰。

本发明的有益效果在于：本发明环境适应性强，采用低功耗设计理念，可实现电池供电。工作稳定，成本低，精度高，测量精度优于1%，量程较大，可高达40:1。

本发明的装置具有功耗低、抗干扰性强以及精度高等优点，可以实现对天然气流量的计量。

附图说明

图1是本发明的测量系统原理框图；

图2是本发明的具体电路实例；

图3是本发明的流量测量结构图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

其中压电传感器1和传感信号处理电路2与压电传感器3和传感信号处理电路4完全相同，在此只对压电传感器1和传感信号处理电路2作描述。

图1为本发明测量系统原理框图，包括存储器6、信号输入部分和信号输出部分。其中，信号输入部分包括压电传感器1、传感器信号处理电路2、与门电路5和按键电路7；信号输出部分包括脉冲输出电路8和段码显示电路9。存储电路6运用I²C总线与单片机10进行数据传输，其型号为FM24CL04，该存储器工作稳定，存取速度快，可以实现掉电保护等存储功能；压电传感器1、3分别放置于图3中的位置14、18，用以感应两个反馈通道中的压力，压电传感器1的输出的电荷量与反馈通道12中的压力大小成正比；传感器信号处理电路2包括电荷放大电路、二阶切比雪夫低通滤波电路和滞回比较电路，其中电荷放大电路又称电荷-电压变换电路，其作用是将压电传感器1产生的电荷信号转换成电压信号；二阶切比雪夫低通滤波电路对该信号进行滤波放大处理，提高信号的信噪比，使信号波形变得更加光滑，滤掉噪声信号；滞回比较电路将信号波形由正弦波转化为方波脉冲，以利于单片机10的计数器A采集传感器输出信号的频率；与门电路5将两路传感信号处理电路的输出信号作与运算，由于两路信号相位相反，当与门输出为高电平时，说明输出信号有干扰脉冲影响，则此次脉冲信号无效；按键电路7所使用的按键为机械开关，在按键开关闭合和断开的瞬间均伴随一连串的抖动，因此，在按键开关S1~S3上并联分别一个电容C15~C17，利用电容的放电延时，实现消除抖动；脉冲输出电路8能够实现脉冲输出功能，光耦器件U11起隔离作用，能够减弱工业现场的干扰，提高输出脉冲的稳定性；段码显示电路9与单片机10的液晶端口连接，结合按键电路能够实现仪表系数、输入脉冲频率、流体的流速和流体的累积量的切换显示和系统参数的修改。

图2是本发明的一种具体电路实例。压电传感器首先经过R1、C1和C2对传感器信号滤波预处理；其次，信号进入U1、R2和C3组成的电荷放大器，信号由电荷信号转换为电压信号；再次，信号经过C4滤除直流分量后，进入U2、R3、R4、R5、R6、C5和C6组成的二阶切比雪夫低通滤波放大电路，信号被放大并且波形变得更加“光滑”；最后，信号进入U3、R7、R8和C7组成的滞回比较电路，传感器信号由正弦波信号变为方波脉冲信号；单片机的外部计数器P1.5采集脉冲信号的个数，结合单片机内部定时器，可得知脉冲信号的频率；U10、R17和R18构成外部存储电路，用以存取数据和实现掉电保护等存储功能；S1~3、R19~R21和C15~C17组成三路按键电路，用以实现仪表系数、输出脉冲频率、流体的流速和流体的累积量之间的切换显示和系统参数的修改；U11、R22和R23组成光电隔离式脉冲输出电路，用以实现对流量计的校准；U8为段码显示屏，其引脚与单片机的液晶端口连接。

图3是本发明的流量测量结构图，它包括喷嘴11、侧壁12、安装槽13、压电式压力传感器安装位置14、18、反馈通道15、壳体16和分流劈17。流体由喷嘴11射入壳体16内腔，根据附壁效应的结论，流体会随机的附着于某一个侧壁12上，大部分流体经过出口流出，小部分流体经过反馈通道15返回喷嘴11处，这一小部分流体作用于进入喷嘴11的流体，改变流体的附着状态，使流体附着于另一个侧壁12上，同样的，部分流体会经过反馈通道作用于进入喷嘴11的流体，使之又附着于原来的侧壁12，如此循环往复，流体回周期性的分别附着于两个侧壁12上，流体流速越大，附壁效应越明显，其交替附着的频率越大，通过压电传感器采集天然气交替附着的频率，根据公式（4），即可求出通过壳体16的天然气的流速，流速对时间积分，就可得知一段时间内通过壳体16的天然气的累积量。

以单片机为控制系统，其工作原理如下：

当流体经过喷嘴射入射流振荡元件内腔后，反馈通道会诱使流体周期性振荡，其振荡频率f与喷嘴处流体的平均线流速v成正比，其比例关系如公式（1）所示，其中St是Strouhal数，在较宽的流体流速和密度范围内基本恒定，d是一个与流体振动振幅有关的尺寸系数；根据公式（2）即可获知入口处的面流速Q_v，其中S为射流元件入口处截面积；根据公式（1）和公式（2）即可获知本发明的仪表系数K，其值如公式（3）所示。因此，在其中一路反馈通道上放置一个压电传感器，用以感应反馈通道内压力的周期性变化，传感器信号处理电路把传感器信号转换为脉冲信号，并将此脉冲信号输入单片机的外部计数器端口，根据公式（4）即可求出天然气通过流量计的面流速Q_v，结合单片机的定时器功能，即可求出流体一定时间内的累积量并将累积量显示在段码式液晶显示屏上。

                                     （1）

                                         （2）

                                （3）

                                       （4）

综上所示，本发明根据射流震荡原理，设计了一种基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法及装置。通过反馈通道放置在两个压电传感器，获取两路相位相反的流量信号，采用硬件噪声检测方法，去除低流速时信号的干扰，提高天然气小流量的测量精度，提高测量的量程比。同时，压电传感器输出的信号进行具有工频抑制功能的放大、滤波及比较，抑制空气中工频噪声的干扰，提高测量的精度；而且，两路传感器处理电路的输出端连接到与门的输入端，以判别干扰信号，消除干扰信号影响；另外，低功耗的测量方法可实现装置的电池供电，避免由于交流供电引入的工频干扰，有利于提高装置的精度。

Claims (4)

1. 基于射流原理的高精度低功耗天然气流量测量方法，其特征在于：将以射流振荡元件为核心的基表安装在天然气管道的主通道上，在射流振荡元件的两个反馈通道内分别对称放置两个压电传感器，用以感知流体的振荡频率，采用电荷放大电路采集压电传感器信号，二阶切比雪夫低通滤波电路对信号进行滤波放大，再运用滞回比较电路产生脉冲信号，单片机通过采集脉冲信号的频率获得流速值，结合单片机的定时功能，流速值对时间积分，就可得知一段时间内天然气的累积量。

2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：它包括内部安装有压电传感器的射流基表、单片机、传感器信号处理电路、与门电路、存储电路、按键电路、脉冲输出电路和段码显示电路；传感器信号处理电路有两路，分别与两个压电传感器对应，两路传感器信号处理电路分别与单片机的计数器端口P1.4和P1.5相连；与门电路与单片机的P1.3相连；存储电路与单片机的P1.6和P1.7相连；按键电路与单片机10的P1.0～P1.2口相连；脉冲输出电路与单片机的P2.2口相连；段码式液晶显示电路与单片机的液晶接口相连；

所述压电传感器分别放置于射流基表的两个反馈通道内；

所述单片机采用MSP430F4371芯片。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：每个传感器信号处理电路包括电荷放大电路、二阶切比雪夫低通滤波电路和滞回比较电路，能够有效地抑制工频干扰，提高传感器的测量精度；其中，电荷放大电路用于采集压电传感器的输出信号，将传感器输出的电荷信号转换为电压信号；二阶切比雪夫低通滤波电路再对此信号进行滤波处理，使信号的波形变得更加平滑；滞回比较电路使信号转换为脉冲信号，以利于单片机采集。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：两路传感器处理电路的输出端连接到与门电路的输入端，由于两路信号相位相反，当与门输出为高电平时，说明有干扰影响，此次脉冲信号无效。