CN109323730A - 基于tdc-gp30双通道气体超声波流量计及使用方法 - Google Patents

基于tdc-gp30双通道气体超声波流量计及使用方法 Download PDF

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孙丽梅
王红艳
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Abstract

一种基于TDC‑GP30双通道气体超声波流量计及使用方法，通过电子开关分别选通两组换能器，时间芯片发射脉冲，超声波流量的回波信号返回到时间芯片，将计算结果传递给单片机MCU保存；时间芯片可以实时测量管道的介质温度，单片机MCU计算出当前的温度，温度异常则报警，否则存储到数据存储芯片中；单片机MCU对压力传感器进行压力采集并计算出管道压力值，压力异常则报警，否则存储到数据存储芯片中；将单片机MCU计算的累计流量、气体体积、温度、压力及相关仪表参数进行存储，采用双声道换能器测量管道内介质的瞬时流量，可以大大的降低由于管道内流体分布不均而造成的测量误差，提高流量测量的精度。

Description

基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计及使用方法
技术领域
本发明涉及一种气体超声波流量计，特别涉及一种基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计及使用方法，用于气体流量测量和气体质量测量。
背景技术
气体超声波流量计是用于测量气体流速、质量的计量器具，可以广泛应用于天然气开采、长距离传输以及贸易结算等环节中的过程控制计量和贸易结算计量。目前市场上使用的气体超声波流量计，普遍采用单声道超声波换能器，无法准确的反映管道内流场分布，导致精度不高，尤其在低流速下，计量精度无法满足贸易结算的需要。
发明内容
鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计及使用方法，该气体超声波流量计，采用高性能时间芯片TDC-GP30和双声道换能器，提高了流量测量的精度；采用远程供电的方式延长了电池寿命，同时带有温度和压力补偿、无线远传通信功能。
本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计，其特征在于：包括双路配对的换能器A0和换能器A1、换能器B0和换能器B1及电子开关、发射模块、接收模块、温度传感器、压力传感器、时间芯片、压力检测模块、单片机MCU、数据存储芯片、WIFI通信模块、远程供电、按键显示板；双路配对的换能器A0和换能器A1及换能器B0和换能器B1分别与电子开关双向连接，电子开关通过所述接收模块与时间芯片连接，时间芯片通过发射模块与电子开关连接，所述温度传感器与时间芯片连接，所述压力传感器通过压力检测模块与单片机MCU连接，所述单片机MCU分别与时间芯片、数据存储芯片、WIFI通信模块及按键显示板双向连接，远程供电提供单片机MCU电源；
时间芯片的型号为：TDC-GP30，单片机MCU的型号为：msp430F448。
一种基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计的使用方法，其特征在于，步骤如下：将双通道气体超声波流量计配对的换能器A0和换能器A1对称的插入管道上两个探头插座Ⅰ中，将换能器B0和换能器B1对称的插入管道上探头插座Ⅱ中；
第一步，通过电子开关选通换能器A0和换能器A1，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器A0和换能器A1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算，超声波流量计的超声波在管道中的传播时间受管道中的流速的影响，逆流传播时间比顺流传播时间要长，且传播时间差与流速成正比，计算公式如下：
其中：
L－传播距离；
θ－管道内流体流动方向与声道夹角；
V－瞬时流速；
Tup－超声波逆流传播时间；
Tdown－超声波顺流传播时间；
ΔT＝Tup-Tdown；
将计算结果瞬时流速V传递给单片机MCU进行数据保存；
第二步，通过电子开关选通换能器B0和换能器B1，选通换能器B0和换能器B1后，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器B0和换能器B1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算，将计算结果瞬时流速V2传递给单片机MCU进行数据保存；
第三步，时间芯片内部集成了测量温度的器件，通过温度传感器实时测量管道的介质温度，时间芯片将测量结果通过I2C总线通信传递给单片机MCU，单片机MCU通过温度补偿公式计算出瞬时流速；
温度补偿公式如下：
V＝331.5+0.607t
V－瞬时流速；
t－管道内介质温度；
第四步，单片机MCU对两个通道的瞬时流量进行分析处理，通过如下公式计算出体积流量，
D－管道内直径；
V1、V2－瞬时流速；
Q－体积流量；
第五步，压力传感器先将管道内的压力信号转化为电信号，单片机MCU内部的集成AD进行压力采集，再将电信号转化为数字信号，由单片机MCU进行计算；
计算公式为：
P－当前管道内压力；
P0－压力传感器量程上限；
A0－单片机中AD采集的数据上限；
A－单片机中AD采集的当前数据；
单片机MCU根据上面公式计算出管道压力值，然后根据设定的报警压力值进行比较，当管道压力大于报警压力时，单片机MCU启动报警；当管道压力不大于报警压力时，单片机将管道压力存储到数据存储芯片中；
第六步，单片机MCU将计算后的瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过WIFI通信模块传输到监控系统，以便用户进行实施监控，同时，单片机MCU将瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过按键显示板显示出来，以便用户进行读取。
本发明的技术效果是：采用高性能TDC-GP30时间芯片和双声道换能器，提高了流量测量的精度。
采用远程供电的方式延长了电池寿命，同时带有温度和压力补偿、无线远传通信功能，具有一定的工程价值和良好的应用前景。
采用双声道换能器测量管道内介质的瞬时流量，可以大大的降低由于管道内流体分布不均而造成的测量误差，提高流量测量的精度；测量管道内的温度和压力，可以监控各级管网的压力，避免管道漏气或者人为破坏；WIFI通信可以进行无线信号传输，一旦发生泄漏，可以及时反馈给上级监管部门，及时报修，进行维护。
本发明成本低，体积小，无节流原件，提高了低流速下的流量测量精度，提高了仪表的量程比，延伸了流量测量的下限，延长了电池寿命，实现了数据通信及仪表报警功能，从而减少了人工成本，并且避免由于管道漏气而且引起的损失。
附图说明
图1为本发明的系统连接框图；
图2为本发明实现方法的流程图；
图3为本发明双路配对的换能器的使用状态图。
具体实施方式
下面结合实例做进一步说明。
如图1所示，基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计，包括双路配对的换能器A0和换能器A1、换能器B0和换能器B1及电子开关、发射模块、接收模块、温度传感器、压力传感器、时间芯片、压力检测模块、单片机MCU、数据存储芯片、WIFI通信模块、远程供电、按键显示板；双路配对的换能器A0和换能器A1及换能器B0和换能器B1分别与电子开关双向连接，电子开关通过所述接收模块与时间芯片连接，时间芯片通过发射模块与电子开关连接，所述温度传感器与时间芯片连接，所述压力传感器通过压力检测模块与单片机MCU连接，单片机MCU分别与时间芯片、数据存储芯片、WIFI通信模块及按键显示板双向连接，远程供电提供单片机MCU电源。
时间芯片的型号为：TDC-GP30，单片机MCU的型号为：msp430F448。
如图2、图3所示，基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计的使用方法，步骤如下：将双通道气体超声波流量计配对的换能器A0和换能器A1对称的插入管道1上两个探头插座Ⅰ1-1中，将换能器B0和换能器B1对称的插入管道1上探头插座Ⅱ1-2中；
第一步，通过电子开关选通换能器A0和换能器A1，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器A0和换能器A1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算；
超声波流量计的工作原理是超声波在管道中的传播时间受管道中的流速的影响，逆流传播时间比顺流传播时间要长，且传播时间差与流速成正比，计算公式如下：
其中：
L－传播距离；
θ－管道内流体流动方向与声道夹角；
V－瞬时流速；
Tup－超声波逆流传播时间；
Tdown－超声波顺流传播时间；
ΔT＝Tup-Tdown。
例如，L为6.8毫米，θ为45°，cosθ为0.707，Tup为180.83μs，Tdown为186.02μs，ΔT为5.19μs，带入上述公式，计算出通道A0-A1的瞬时流速VA是7.4m/s。
然后将计算结果瞬时流速VA传递给单片机MCU进行数据保存。
第二步，通过电子开关选通换能器B0和换能器B1，选通换能器B0和换能器B1后，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器B0和换能器B1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算。将计算结果通道B0-B1的瞬时流速VB传递给单片机MCU进行数据保存。
第三步，时间芯片内部集成了测量温度的器件，通过温度传感器实时测量管道的介质温度，时间芯片将测量结果通过I2C总线通信传递给单片机MCU，单片机MCU通过温度补偿公式计算出瞬时流速；
温度补偿公式：
V－瞬时流速；
V0－介质温度为15℃是的标准瞬时流速；
V1－介质温度为60℃是的标准瞬时流速；
T0－15℃；
T1－60℃；
T－当前介质温度
例如，当T为25℃，V0为7.32m/s，V1为7.75m/s，补偿后的瞬时流速V为7.41m/s。第四步，单片机MCU对两个通道的瞬时流量进行分析处理，计算出体积流量，
D－管道内直径；
VA－A0-A1通道的瞬时流速；
VB－B0-B1通道的瞬时流速；
Q－体积流量；
例如，当D为100毫米，VA、VB分别为7.41m/s和7.40m/s，计算出的体积流量Q为209.27m3/h。
第五步，压力传感器先将管道内的压力信号转化为电信号，单片机MCU内部的集成AD进行压力采集，再将电信号转化为数字信号，由单片机MCU进行计算，计算公式为：
P－当前管道内压力；
P0－压力传感器量程上限；
A0－单片机中AD采集的数据上限；
A－单片机中AD采集的当前数据；
例如，设定的报警压力值为1.6MP，单片机中AD采集数据上限为5000，对应的压力传感器量程上限是1MP，当前采集到的数据是2500，那么，根据上面公式计算出管道压力值P为0.5MP。用管道压力值0.5MP与设定的报警压力值1.6MP进行比较。管道压力不大于报警压力，属于正常测量结果，单片机MCU将管道压力0.5MP存储到数据存储芯片中。
第六步，单片机MCU将计算后的瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过WIFI通信模块传输到监控系统，以便用户进行实施监控。同时，单片机MCU将瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过按键、显示板显示出来，以便用户进行读取。
两个探头插座Ⅰ1-1和探头插座Ⅱ1-2分别与管道1的水平角度为45°。

Claims (3)

1.一种基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计，其特征在于：包括双路配对的换能器A0和换能器A1、换能器B0和换能器B1及电子开关、发射模块、接收模块、温度传感器、压力传感器、时间芯片、压力检测模块、单片机MCU、数据存储芯片、WIFI通信模块、远程供电、按键显示板；双路配对的换能器A0和换能器A1及换能器B0和换能器B1分别与电子开关双向连接，电子开关通过所述接收模块与时间芯片连接，时间芯片通过发射模块与电子开关连接，所述温度传感器与时间芯片连接，所述压力传感器通过压力检测模块与单片机MCU连接，所述单片机MCU分别与时间芯片、数据存储芯片、WIFI通信模块及按键显示板双向连接，远程供电提供单片机MCU电源；
时间芯片的型号为：TDC-GP30，单片机MCU的型号为：msp430F448。
2.一种采用权利要求1所述的基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计的使用方法，其特征在于，步骤如下：将双通道气体超声波流量计配对的换能器A0和换能器A1对称的插入管道(1)上两个探头插座Ⅰ(1-1)中，将换能器B0和换能器B1对称的插入管道(1)上探头插座Ⅱ(1-2)中；
第一步，通过电子开关选通换能器A0和换能器A1，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器A0和换能器A1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算，超声波流量计的超声波在管道中的传播时间受管道中的流速的影响，逆流传播时间比顺流传播时间要长，且传播时间差与流速成正比，计算公式如下：
其中：
L－传播距离；
θ－管道内流体流动方向与声道夹角；
V－瞬时流速；
Tup－超声波逆流传播时间；
Tdown－超声波顺流传播时间；
ΔT＝Tup-Tdown；
将计算结果瞬时流速V传递给单片机MCU进行数据保存；
第二步，通过电子开关选通换能器B0和换能器B1，选通换能器B0和换能器B1后，时间芯片通过发射模块及电子开关发射脉冲到选通的换能器B0和换能器B1，超声波流量的回波信号通过电子开关及接收模块返回到时间芯片，再经过时间芯片的采集和计算，将计算结果瞬时流速V2传递给单片机MCU进行数据保存；
第三步，时间芯片内部集成了测量温度的器件，通过温度传感器实时测量管道的介质温度，时间芯片将测量结果通过I2C总线通信传递给单片机MCU，单片机MCU通过温度补偿公式计算出瞬时流速；
温度补偿公式如下：
V＝331.5+0.607t
V－瞬时流速；
t－管道内介质温度；
第四步，单片机MCU对两个通道的瞬时流量进行分析处理，通过如下公式计算出体积流量，
D－管道内直径；
V1、V2－瞬时流速；
Q－体积流量；
第五步，压力传感器先将管道内的压力信号转化为电信号，单片机MCU内部的集成AD进行压力采集，再将电信号转化为数字信号，由单片机MCU进行计算；
计算公式为：
P－当前管道内压力；
P0－压力传感器量程上限；
A0－单片机中AD采集的数据上限；
A－单片机中AD采集的当前数据；
单片机MCU根据上面公式计算出管道压力值，然后根据设定的报警压力值进行比较，当管道压力大于报警压力时，单片机MCU启动报警；当管道压力不大于报警压力时，单片机将管道压力存储到数据存储芯片中；
第六步，单片机MCU将计算后的瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过WIFI通信模块传输到监控系统，以便用户进行实施监控，同时，单片机MCU将瞬时流量、体积流量、温度、压力、报警信息通过按键显示板显示出来，以便用户进行读取。
3.根据权利要求2所述的基于TDC-GP30双通道气体超声波流量计的使用方法，其特征在于：所述两个探头插座Ⅰ(1-1)和探头插座Ⅱ(1-2)分别与管道(1)的水平角度为45°。
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