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 技术论文

超声家用煤气表述评

 T.Weberg
ULTrasonic Domestic Gas Meters-A Review
N Bignell

摘 要
 
  有许多超声家用煤气表结构,它们全都是采用超声信号经气流的传播时间法用以估算流速。在结构中导管形状和控制信号波形的部件是结构的关键部分。讨论了产生信号的换能器,可逆性操作和几纳秒传播时间的计时技术等。此类流量计的认可仍有限,讨论了其发展前景。

关键词:超声 家用煤气表 流量 换能器 传播时间 可逆性


前 言
 

家用煤气表的目的是给用户提供热能数量,设它与气体数量成比例,数量的测量最好是质量,但是对于气体质量测量有困难。传统的数量测量是用体积的。有时需进行温度而不是压力的修正。常用的流量计是膜式,它是用充气和抽气来达到测量流量,其流量从0.015m3/h到6 m3/h,范围度为400,工作温度从-10°C到50°C大部分测量范围的不确定度为1.5%。每台流量计约为$20。这种流量计的全盛应用已有一个世纪了。但是至少有一些流量系统大气量消耗是很难用膜式测量的,进一步的发展似乎又不大可能再改善其性能。
由于体积大和不受欢迎的传统膜式流量计的市场阻力,不列颠气体公司于80年代市场竞争中推出更紧凑的气体流量计,结果最成功的结构为超声式。最近十年已经有几种类型超声家用煤气表投入商业应用,更详尽的用途在专利文献中说明[1,2,3,4,5,6]。
全部流量计采用传播时间法工作原理。一束超声脉冲经气流传播,其计时的声程为L,在顺流Td和逆流Tu方向有不同的时间,其公式为

 (1)
由式计算流速υ,然后由流速得到流量,在给定时间内计算出流过的体积。
一般居民屋内的流量计尺寸,其超声声道长度大约为175mm。这样传播时间约为500μs,它与温度及气体性质等有关。流体流速不能很高,压降不能超过额定规格。在典型的工作流量中其流速为22mm/s,上下游时间差为57纳秒。因此在合适的不确定度范围内其分辨率需几纳秒。这些从实验室角度采用高速计时器不是困难的问题,但对于低功耗电池工作,不能采用高速振荡器和计时器(它需高功率)。它是不可能解决的,正在寻找各种解决的办法,以下将进行讨论。
虽然用测量时间以测量流速,它不需要与流量成比例。对于所有超声流量计,由流速正确地确定流量都是一个问题。不列颠气体公司的大型超声流量计采用多声道测量流速廓形,因而可正确估算流量。这种技术不能应用于价格为$20用小电池工作的流量计,只能采用其他技术,下面将进行介绍。
在气流中超声的传播并不简单,在超声工作中通常采用压电陶瓷材料做为换能器,它具有高声阻,而气体的声阻是低的,因此对于陶瓷换能器向气体输送能量阻挠匹配是很困难的,至少在工作过程是低效率的。接收信号的特性还与声束传播顺流或逆流有关,各类流量计解决此问题采取不同的方案。

 
能器的信号传播与接收
 
传统的方法是应用很低密度材料覆盖于压电陶瓷材料换能器的表面[1],以达到不同阻挠的匹配。此覆盖层应稳定,应用此技术除耦合外还可以改善结构问题。为了降低换能器的振响,即降低Q值,可附加一个吸收衬垫,通常此类换能器的频率范围为140KHZ到180KHZ。
聚氟乙烯(PVDF)膜有低声阻特性,它在伸张和支撑时有压电性质。开发一种换能器[7]在一种光滑的M形状的金属上镀以25μ厚度的PVDF膜,通过膜厚度时产生激励信号,屈曲促使膜产生某些振荡膜式,结果使换能器具有低Q值,其频率约为115khz,并在低电压激励下工作。它可以做为发射器,亦可做为接收器的可逆工作方式。其缺点为对温度敏感,因此其电子线路的增益需要随时改变以适应它。
在气体流量计的使用中,一种商业应用的换能器工作于超声范围的末端约为40KHZ [2],它采用压电陶瓷元件,并用一种小型扬声器头部附着于它以增强气体的耦合,这种换能器有大的Q值,在工作时有较大的振响。下面将叙述一种精密计时的技术。
换能器的一个工作难题是换能器需面临灰尘,在所有网状体统中皆有一些灰尘,但在陈旧系统可能存在所谓尘暴。灰尘主要由氧化铁和二氧化硅组成,当速度分布变化或其它扰动时气流就积聚它,它对换能器的工作在机械的磨损的以及丧失线性特性等方面有很大干扰。
对于流量计低流量时的精确度换能器的线性度很重要,非线性特性甚至在无流量时可能引起两方向的计时差别,结果实际上无流量却出现流量显示。需要良好的线性是因为换能器传播的振荡幅度在流量级上大于接收的。灰尘附着于线性换能器的表面可能使换能器不同的振幅而产生非线性。
有些气体在某频率时吸收超声能量比其他大得多。单分子结构如氩气和双原子气体如氮气和氧气具有低的吸收能力。甲烷和二氧化碳气体以及它们的混合物和简单气体的水蒸气皆有较高的吸收能力。甲烷与6%的二氧化碳的混合物通常作为测试气体,因为它有特别的吸收能力。信号损失与工作频率以及声道长度等有关,它约为30分贝。
 
导管,流量和超声
 
在气体流量计的结构中,气体必须流径导管,并且超声通过气流。超声在导管中传播一般以一系列模式进行。这些模式的精确性质与导管的几何形状密切相关,如果它们的复杂性增加则其传播速度就要降低。平面波是最简单模式,通常按它传播。其它模式有截止的频率,当低于此频率后在导管中不再传播。如果一种模式接近于截止频率,则其速度趋于零。
当经过导管传播之后接收到的波的形状包含有许多模式的组合信号,它受到外延信号的影响。采用一台大的Q值的换能器含外延信号,在计时的脉冲重复法中这是很重要的。
导管中流量的存在改变接受波形的形状,它可以用图1所示的圆形导管来说明,其波形示于图2。
这里传播信号的峰值相对高度顺流和逆流是不同的,这对于接受波形以特定的零线为基础的计时是很不方便的。如果这个零钱是以图2的粗水平线为电闸检测,它将随着传播方向选用不同的零线,这将引起很严重的计时误差。解决这个问题的办法是在导管中嵌入控制元件以改变流动声道[3],如图1所示。

其它流量计采用一个元件位于管道轴线下面。有时换能器制作的比导管大些以避免产生不同于平面波的模式[5]。

计时技术
如果要满足规范要求的低流量的不确定度,双向信号的计时不确定度约为3ns(纳秒)。由于应用低功率电源的限制,要达到它十分困难,甚至10MHZ的计时时钟允许的直接计时亦仅100ns。在计数周期内进行大量的测量有其优点。如果测量是真正随机性的,允许单次测量有大的不确定度,其平均值仍可达到低的不确定度。至今流量计开发与达到要求的不确定度的平均值无关,这很可能是因为在校准和他们工作的测试时必须在极短周期内显示特性能力。
4.1 脉冲重复性
在此技术中应用低频时钟[3],用传送信号沿管道而下许多次来增加测量时间。当第一个脉冲传送沿管道而下计时器启动,到达时进行检测,接着马上另一个脉冲同方向往下送,如此一直到100个脉冲。当第100个脉冲到达时计时器停止。这样它测量的时间是一个脉冲的100倍。因此时钟频率可以降低100倍。此工作很好,它允许用周期为100ns的一台时钟,其分辨率仅几纳秒。但是有一些缺点,在第5节中再详谈。
4.2 相位法
计时的另一种方法是采用一个特制的发射24次正弦周波的信号,它具有三分之二的直通反相。发射的信号是由1.44MHZ时钟产生的,计数可低到180KHZ,因此它会产生锁相。一组数目为8只电容器由时钟开关接收信号。在相开关前16次周波时间内对来波很好地进行平均。一台相位检测器用来与此来波平均值进行比较,因此实测到逆向并停止采样。这样测量确定的时间是一个时钟脉冲,但它不太精确。然后探察到电容器上存储波形的相位。由模数转换器读出8个电容器上的每个电压值。如果倒相停止,在接收信号相位开始时精确地收集数据,则接收信号和驱动信号(和时钟)将同相位,时钟脉冲的积分值相当于被测的传播时间。一般其间有一个相位差,它需用拟合程序曲线来确定。可以认为它能做到信号的一个周期的千分之一,即达到几纳秒的精确度。
一种相似的技术[2],换能器由40KHZ的8周波声脉冲激励,在320KHZ下接收波形取样并给出数据组y(ti) , 其相位为
(2)
由于正弦值和余弦值对于每周期8个子样限定为零或±1或± ,它是比较易于计算的,它仅在0到2π之间计算。
为了消除相位的含糊(或进行"相位展开"),用一种分开的阈值和单脉冲换能器激励的比较器直接测量传播时间。
4.3 时钟周期插入法
接收波形的一部分与时钟速率同步进行数字化,此数据存储起来。如果计时从零线起,则易于得到时钟脉冲的积分值,它是在零线前完成的。然后进行插入法以得到零钱上时钟周期的份额。
可能用一种高速电压发射器进行插入,发射器固定一个时钟周期,这个电压是在计时瞬间采样的。发射器的采样电压被最大电压除,它是所要求的时钟周期的一部分。


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