CN117537897A - 一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，属于超声波燃气表时差法测量技术领域。定义了幅值比参数，即上、下游超声波接收信号幅值的比值。并依此得到不同流量下流量与对应幅值比曲线图。通过测量计算流量与当前的幅值比，对比流量与幅值比变化曲线得到当前的理论流量，实现超声波燃气表流道性能判断，超声波换能器的测试、错波产生错误计量和失效故障诊等功能。
Description
技术领域
本发明属于超声波燃气表时差法测量技术领域，特别涉及一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法。通过对超声波换能器接收幅值随流量的变化，得到流量与对应幅值比曲线图。通过实测与曲线图对比监测超声波燃气表的流道、超声波换能器性能及失效判断，从而实现超声波表流道故障自诊断方法。
背景技术
超声波燃气表的设计普遍采用时差法进行计量的基础计算。该方法是利用安装在管段中的一对超声波换能器，分别交叉发送和接收超声波得到一定幅值的信号(见图1和图2)。两个超声波换能器分别发射超声波脉冲，一个是上游(顺流)传播，一个是下游(逆流)传播。两束脉冲传播的实际路程相同，利用超声波在气体中顺流和逆流传播时间差计算得到气体的流量。公式如下：
上游飞行时间：
Tup＝L/(C+Ucosθ) (1)
下游飞行时间：
Tdown＝L/(C-Ucosθ) (2)
由(1)和(2)得到燃气的平均线流速：
U＝(L/2cosθ)(1/Tdown-1/Tup) (3)
(1)、(2)和(3)式中：
Tup：上游飞行时间。
Tdown：下游飞行时间。
L——声道长度。
C——超声波在燃气中传播的速度。
U——燃气的平均线速度。
θ——声道角。
进而得到实际流量：
Q＝U*S
式中：
Q：实际流量值。
S：流道截面积。
由时差法原理可知，时差法超声波燃气表计量的关键是要精确测量流道内超声波飞行的上下游时间。而当上、下游接收信号信号中一个或两个幅值发生较大的变化时，比较信号会相对的上移或下移，使得接收的信号基准波产生前后错位，计量时间提前或延后一个或多个周期，造成上、下游飞行时间计量错误，即我们所说的产生错波。而飞行时间的准确测量、防止错波，要求超声波流道及超声波换能器性能稳定，即需要两个超声波换能器性能匹配，且能够相互激发有一定幅值的稳定波形，并需要在静态时上下游换能器所激发的超声波幅值尽量接近。这就需要在超声波换能器一旦出现问题或失效时能及时被侦测到并报警提示或纠正错误，以免造成错误计量。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，是针对超声波燃气表的流道及超声波换能器的性能、失效判断和流道内接收信号错波产生错误计量情况的诊断判定方法。
采用的技术方案是：
通过本发明中引入幅值比参数，即超声波上、下游接收信号的幅值之间比值参数。通过测试流量和幅值比与预设的流量对应幅值比曲线图得到的理论流量进行比对，进行流道性能判断、超声波换能器失效及错波判断。
其优点在于：
方法中引入幅值比参数，通过超声波流量与上、下游幅值变化关系，得到预设的流量与上、下游幅值变化曲线。该曲线与实际测试幅值比进行对比，实现超声波燃气表的流道性能判断、故障诊断等功能。可通过其发现超声波流道内超声波换能器是否失效、超声波接收信号是否存在因错波产生错误计量等。
附图说明
图1为超声波测量结构原理说明图。
图2为时差法超声波计量原理示意图。
图3为本发明流量与上、下游幅值变化曲线
图4为本发明流量与对应幅值比曲线图。
具体实施方式
一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，其特征在于包括下列步骤：
定义幅值比，即上、下游超声波接收信号幅值的比值：
Ap＝Aup/Adown (4)
式中：
Ap：幅值比(单位：无)；
Aup：上游幅值(单位：mv)；
Adown：下游幅值(单位：mv)；
当超声波燃气表检测计算得到气体计算流量时，可同时检测到的上下游超声波信号幅值，并经过计算得到对应流量时的幅值比。
经测试，当检测到流量值接近零表处于静态时，两个超声波换能器接收信号的幅值比为0.96-1.04可判定为正常，否则说明超声波换能器及不匹配不能用；
当超声波燃气表有气体流量通过时，当检测到幅值比小于0.4或大于1.6时，说明超声波换能器幅值随流量衰减变化过大，判定为超声波换能器失效。
而当幅值比在正常范围内时，通过测试计算流量并得到当前幅值比，比对流量与对应幅值比曲线图得到当前幅值比下的理论流量。当计算流量与理论流量值相近时则表示工作正常。当计算流量与理论量值的差值远大于一定阈值时，则判断此时得到的计算流量值存在因波错引起的误差，从而实现错波的检测及故障报警或消除。
本发明中引入“幅值比”参数，即上游超声波接收信号幅值和下游超声波接收信号幅值的比值：
Ap＝Aup/Adown (4)
式中：
Ap：幅值比。
Aup：上游幅值(单位：mv)；
Adown：下游幅值(单位：mv)；
由公式(1)和(2)可得出，在超声波燃气表的流道内有气体流量通过时，上游超声波飞行时间要比静态时短，而下游超声波飞行时间比静态时要长，流量值越大变化量越大。因此，上游超声波接收超声波信号的强度由静态随着超声波飞行时间的变长衰减量增大，而下游超声波接收信号强度则由静态随着超声波飞行时间的变短而衰减量变小。从而导致由超声波激发的接收信号产生的幅值，上游随着气体流量的增大而变大，而下游则随着气体流量的增大而减小。最终结果就是上、下游幅值之间的比值即本发明中引入的幅值比随着气体流量的增大而增大。
表1实测超声波流量对应上下游接收幅值及计算幅值比
表1即为一款超声波燃气表流道测试的超声波流量与对应的上、下游超声波接收信号幅值及算得幅值比数值。
表1中可以看出，静态时上、下游接收信号幅值接近。随着气体流量变化上游幅值有小量增加，而下游幅值则有较大减小(图3)。图4为幅值比随流量变化曲线,超声波燃气表的幅值、幅值比及幅值比随流量变化曲线参数由超声波表的流道结构、换能器特性决定。因此，可将幅值比随流量变化曲线做为相同结构材料超声波表流道的预置曲线。
本技术方案即基于此原理发明的超声波燃气表的流道、超声波换能器性能判断及运行故障诊断的方法。
通过幅值比及幅值比随流量变化曲线，可进行如下的超声波燃气表检测及故障判定：
1.流道超声波换能器匹配测试：
超声波燃气表如能达到良好的计量性能，需要两个超声波换能器匹配。测试方法为在超声波燃气表的流道气流静态时，除判断上下游接收信号幅值需达到一定值外，还要求两个超声波换能器接收信号幅值尽可能接近，即幅值值比应接近1.0。可通过设定幅值比的阈值定义流道超声波换能器匹配合格标准，经测试，设置幅值比在0.96-1.04之间即可达到使用要求确定为合格流道。
2.流道超声波换能器失效判断：
超声波燃气表实际走气运行时，当检测到幅值比超出一定范围时，即可诊断超声波换能器失效，此时表端可通过软件控制超声波燃气表显示报警信息，关阀停止计量。实测中设置幅值比小于0.4或大于1.6可判定超声波换能器失效。
3.错波判断：
幅值比诊断超声波燃气表错波是本发明的关键用途。由于超声波上下游接收信号错波会使其时间差出现一个大于或小于一个或多个超声波周期时间的偏移，从而导致流量计算错误，出现在零流量下表端自动以较大流量跑数或有流量不计量的严重故障。对此，通过本发明通过流量与幅值比关系，可方便地判断出错波还是流量产生的上、下游时间差，并在发生错波时产生报警或自行纠正得到正确流量值。具体操作如下：
首先根据超声波换能器的频率确定接收波的周期时间，并以周期时间做为时间差所对应的流量变化量(以下称周期时间差流量变化量)。超声波燃气表运行过程中，表端在检测计算得到当前的计算流量值。同时通过测试当前上、下游信号幅值，利用公式(4)算得当前的幅值比，再通过查对幅值比随流量变化曲线得到当前幅值比下对应的理论流量值。当经计算得到的当前计算流量值与查曲线得到的理论流量值之差大于或小于一个或一个以上周期时间差流量变化量时即判断为错波。此时如果幅值比未超过超声波换能器失效判断的幅值比，即可通过计算流量增加(计算流量值比理论值小时)或减小(计算流量值比理论值大时)一个或多个周期时间差流量变化量得到正确的流量值。例如，当前测试表用的是频率500KHz超声波换能器，其周期为2μS。经测试，2μS时间差对应流量为2.6m3/h，用其作为周期时间差流量变化量(为增加容错率，做为比较阈值时其值选在2.4-2.8m3/h之间)。如表计算流量为3.2m3/h,同时测试幅值比为2.1，通过幅值比与流量变化曲线查得幅值比2.1对应理论流量值应为5.7m3/h。计算流量与理论流量两者差为2.5m3/h，大于了一个周期时间差流量变化量下限2.4m3/h，属于错波。则实际流量为计算流量增加一个周期时间差流量变化量，即当前实际流量值应为3.2+2.6＝5.8m3/h。
Claims (3)
1.一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，其特征在于包括下列步骤：
定义幅值比，即上、下游超声波接收信号幅值的比值：
Ap＝Aup/Adown (4)
式中：
Ap：幅值比；
Aup：上游幅值；
Adown：下游幅值；
当流道气流静态时，两个超声波换能器接收信号的幅值比为0.96-1.04判定为正常；
当超声波燃气表实际运行时，当检测到幅值比小于0.4或大于1.6，判定为超声波换能器失效；
根据超声波换能器的频率确定接收波的周期时间，并计算周期时间做为时间差所对应的流量变化量，称为周期时间差流量变化量；超声波燃气表检测计算得到当前的计算流量值及通过测试当前上、下游信号幅值，利用公式(4)算得当前的幅值比，再通过查对幅值比随流量变化曲线得到当前幅值比下对应的理论流量值；当计算流量值与查曲线得到的理论流量值之差大于或小于一个或一个以上周期时间差流量变化量时即判断为错波；此时如果幅值比未超换能器失效幅值比，即可通过计算流量增加或减小一个或多个周期时间差流量变化量得到正确的流量值。
2.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，其特征在于包括下列步骤：
在超声波燃气表上游随着气体流量的增大而变大，而下游则随着气体流量的增大而减小；上、下游幅值之间的比值即幅值比随着气体流量的增大而增大。
3.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表流道检验及故障自诊断方法，其特征在于包括下列步骤：
超声波燃气表的幅值比及流量与对应幅值比曲线由超声波燃气表的流道结构、换能器特性决定；因此，可将幅值比与流量变化曲线做为同结构材料超声波燃气表流道的预置曲线。
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