CN213336281U - 基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置。其特征在于：在原有单通道的测量流道结构上对称地增加一组超声波换能器构成两个测量通道，且在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关实现两个测量通道的相互切换，进而实现互补测量及故障冗余。当一路故障可以切换至另一路工作，当流量发生变化，也会自动切换不同的换能器工作，进而提高测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置。
背景技术
天然气作为一种清洁、高效的优质的能源成为国内能源结构的首选。随着天然气的广泛使用，作为城市天然气用户贸易计量所使用的燃气表，如何能实现公平计量尤其重要。近几年超声波燃气表正以强劲的势头在燃气表市场中崭露头角，目前市面上用于家用和商用超声波燃气表一般原理如图1，通过一对超声波换能器的循环工作，测量时差来实现流量计量。
经分析目前国内用量较大的民用超声波表,标称的流量范围为0.016m3/h～4m3/h,使用的是500KHZ超声波换能器。而在需要较大流量的商业超声波表，一般标称的流量范围为0.060m3/h～40m3/h，使用的则是200KHZ超声波换能器。此类应用的原因在于在常规天然气环境中较高频率的超声波随声程、流速的增加其信号衰减更快，因此在较小流量的民用超声波表，因其流道小声程短，使用500KHZ换能器能满足信号强度的要求，并且能提高小流量的测量精度，因为500KHZ换能器的测时分辨率高于200KHZ。但在需要较大流量的商业超声波表中一般使用的是200KHZ超声波换能器，因为这类表具一般流道大声程长，尤其是大流量时200KHZ超声波信号衰减小，相比更能满足测量信号要求。但由于200KHZ换能器的固有测时分辨率较低，因此在小流量时难以达到较高测量精度。此外使用一组超声波换能器的表具一旦有一只换能器出现故障，则无法计量只能返修。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置的技术方案。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：在原有单通道的测量流道结构上对称地增加一组超声波换能器构成两个测量通道，且在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关实现两个测量通道的相互切换，进而实现互补测量及故障冗余。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述测量流道结构中的两个测量通道分别使用一组200KHZ超声波换能器和一组500KHZ超声波换能器，两个测量通道独立工作，测量区域相同。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关后形成4选1模拟开关，能够实现分时切换两个测量通道。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述两个测量通道默认采用200KHZ超声波换能器进行测量，当测量流量小于一个定值时,切换到500KHZ超声波换能器进行测量。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述200KHZ超声波换能器和500KHZ超声波换能器的安装角度相同，声程相同。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述200KHZ超声波换能器和500KHZ超声波换能器的安装角度均为45度。
所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述4选1模拟开关采用TI的TMUX1209。
本实用新型在原有单通道的测量流道结构上对称地增加一组超声波换能器构成两个测量通道，且在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关实现两个测量通道的相互切换，进而实现互补测量及故障冗余的效果。
附图说明
图1为现有技术结构示意图；
图2为本实用新型的结构示意图；
图3为本实用新型安装结构示意图；
图4为现有TI燃气表集成解决方案框图；
图5为模拟开关电路示意图；
图中：1-测量流道，2-200KHZ超声波换能器，3-500KHZ超声波换能器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明：
本实用新型提出的冗余测量功能是流道中使用双通道超声波换能器进行互补计量的一种新型结构，本实用新型为克服上述问题，设计了一种新型的超声波燃气表测量结构，在原有单通道的测量流道结构上对称地增加一组超声波换能器构成两个测量通道，且在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关实现两个测量通道的相互切换，进而实现互补测量及故障冗余的效果。
如图2：在原有单通道的测量流道1结构上，对称地增加一组超声波换能器。测量流道结构中的两个测量通道分别使用一组200KHZ超声波换能器2及一组500KHZ超声波换能器3，2组测量通道可独立工作，但其测量区域相同。
由于200KHZ超声波换能器与500KHZ超声波换能器封装尺寸不同，200KHZ超声波换能器要比500KHZ超声波换能器厚上不少，因此2组换能器的安装槽是互相独立的，如图3：A1,A2安装一组200KHZ超声波换能器（声程为L1），B1，B2安装一组500KHZ超声波换能器（声程为L2），换能器固定件对应不同型号进行适配。
控制方案采样TI燃气表集成解决方案，如图4：包括集成超声波控制、采集、运算的嵌入式处理器MSP430FR6043，以及超声波发射电路，信号接收处理电路，用于信号切换的模拟开关。该方案能兼容200KHZ、500KHZ超声波换能器而无需更改硬件电路，仅需在控制时使用不同参数。
本实用新型为兼容2种不同频率的换能器，并实现以上2组测量通道交替工作,针对用于信号切换的模拟开关电路进行了专门设计，如图5：
由于增加了一路500KHZ超声波换能器测量通道，单通道一般使用2选1模拟开关，此处双通道设计为4选1模拟开关，可实现分时切换2路测量通道。在控制时默认使用1通道的200KHZ超声波换能器进行测量，当测量流量小于一个定值q时,可切换到2通道的500KHZ超声波换能器进行测量，以提高测量精度，q值的选取需要根据不同量程的表型，通过2组通过的精度对比测试来获得。
当500KHZ超声波换能器通道测试中发现大流速或超声波信号较弱时，可切换至200KHZ超声波换能器通道。或者某一通道损坏时，可使用另一通道进行冗余测量，此时与原来单通道表工作方式类似。
作为优选：
1.2组测量通道的结构为对称设计，即2组通道尽管超声波换能器频段不同，但其相对流场的测量角度，测量区域相同；
2.在设计上尽量保证声程L相同（见图3），这样利于2组通道有相同的计量参数；
3.使用2路4选一的集成模拟开关芯片，使收发信号能同步切换。
实施例：
由图2所示，2组换能器的安装角度θ取45度，尽管200KHZ与500KHZ的超声波换能器的尺寸是不同，但设计换能器的安装结构时，应使安装后200KHZ超声波换能器和500KHZ超声波换能器之间的声程相同（L1、L2）。200KHZ超声波换能器接电路(图5)S1、S2，500KHZ超声波换能器接电路(图5)S3、S4。模拟开关选用2路4选1的集成芯片，例如TI的TMUX1209。按图5所示，当模拟开关选通1通道时，发射信号接通S1，接收信号接通S2，则可实现200KHZ超声波换能器的S1发射，S2接收。
当模拟开关选通2通道时，发射信号接通S2，接收信号接通S1，则可实现200KHZ超声波换能器的S2发射，S1接收，以上2步完成一次200KHZ超声波换能器的来回时间测量。类似地，当模拟开关顺序选通3、4通道时,可实现200KHZ超声波换能器的来回时间测量。
控制过程可按以下步骤进行测量：1、先使用200KHZ超声波换能器通道进行流量测量，记录200KHZ超声波换能器的测量信号强度；2、对当前测试的流量进行判断，如果流量小于一个阀值，例如4m3/h，则切换到500KHZ超声波换能器进行测试；3、如果当前已切换到500KHZ超声波换能器，则记录500KHZ超声波换能器的信号强度；如果流量大于阀值，则切换到200KHZ超声波换能器进行计量；4、对当前信号强度进行判断，如果当前信号强度小于能可靠计量的信号阀值，则报故障并切换到另一组换能器，实现测量冗余功能，在此状态下超声波表可正常计量。但相应的，计量精度会降低，例如：如果500KHZ超声波换能器损坏而使用200KHZ超声波换能器，则预计低端流量计量精度会降低，而如果200KHZ超声波换能器损坏而使用500KHZ超声波换能器进行计量，则会减小流量计量范围，即在接近最大额定流量时500KHZ超声波换能器信号因衰减较大而无法正常计量。
对于通道切换的流量阀值的选取、超声波计量信号强度的故障判断阀值应根据表型流量范围及超声波测试信号通过实验进行合理选取。通过以上设计实现双通道换能器的互补计量，可有效改善计量精度，并具备换能器故障的冗余功能，极大地提高了超声波燃气表的可靠性。
Claims (7)
1.基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：在原有单通道的测量流道结构上对称地增加一组超声波换能器构成两个测量通道，且在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关实现两个测量通道的相互切换，进而实现互补测量及故障冗余。
2.根据权利要求1所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述测量流道结构中的两个测量通道分别使用一组200KHZ超声波换能器和一组500KHZ超声波换能器，两个测量通道独立工作，测量区域相同。
3.根据权利要求1所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：在原有测量电路的基础上增加一路模拟开关后形成4选1模拟开关，能够实现分时切换两个测量通道。
4.根据权利要求2所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述两个测量通道默认采用200KHZ超声波换能器进行测量，当测量流量小于一个定值时,切换到500KHZ超声波换能器进行测量。
5.根据权利要求2所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述200KHZ超声波换能器和500KHZ超声波换能器的安装角度相同，声程相同。
6.根据权利要求5所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述200KHZ超声波换能器和500KHZ超声波换能器的安装角度均为45度。
7.根据权利要求3所述的基于不同频段的双通道超声波燃气表计量装置，其特征在于：所述4选1模拟开关采用TI的TMUX1209。
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2020
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