技术领域
[0001] 本
发明属燃气流量检测的技术范畴；特别是指n形测管集成换能器一体化结构的民用
超声波燃气表和流量检测方法。
背景技术
[0002] 2020年，中国
能源需求的保守预估值是50亿吨标准
煤。满足上述需求，无论是增加国内能源供应还是利用国外资源，能源供给侧将面临巨大压
力。我国煤炭为主能源结构产生的污染远超环境容量，环境承担力将面对严峻挑战；因此，调整煤炭主导的不合理能源结构刻不容缓。以气代煤是
现有技术条件下，冶理环境污染的有力举措。
[0003]
天然气作为清洁能源得到重点关注，消费量持续上升。2001年，天然气国内消费量仅为274亿m3；2012年，增加到1471亿m3，使用天然气的地级市数量＞210个，2亿国人受恵。截止2012年12月，民用燃气表保有量逾2075万台；燃气表产量1000万台/年，出口250万台/年；国内民用燃气表企业约100家，主导产品是膜式燃气表。膜式燃气表有百余年历史，1833年英国詹姆斯.博格达斯发明的膜式燃气表架构沿袭至今；机械膜式燃气表原理简单，价格低廉(90～140元)，
精度1.5级；但是数字化膜式燃气表的价格数倍于基表，价格不菲(450～
550元)。
[0004] 超声波燃气流量计精度高、压损小，运维简便、无运动部件高可靠；继孔板流量计、
涡轮流量计之后，成为第三种赋予贸易结算资质的燃气法定计量器具；例如，全球最长的中国西气东送输送管线上，配置13套超声波天然气流量计。当今发达国家的超声波流量计厂商占据技术领先的优势地位，著名企业有美国Controlotron、德国Krohne、英国Daniel和荷兰Instromet等。行业遵循的标准是：1998年，ISO发布ISO/TR12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的
流体流量》；国标GB/T18604--2001《用气体超声流量计测量天然气流量》，行业标准《家用超声波燃气表》2012-2016T-JB。发达国家超声波测量流量的历史悠久，可追溯到1931年的O.Rutten德国
专利；上述国家的民用超声波燃气表批量投运多年，取得不俗业绩。我国超声波流量计的研究始于六十年代，国产超声波流量计与发达国家PK，精度和可靠性均存在一定差距，进口超声波流量计充斥国内市场。虽然浙江威星仪表系统集成有限公司等单位相继推出超声波燃气表，亦取得型式批准证书；遗憾的是市场认同度有限，产品的商业化还有很長的路要走。
[0005] 超声波测量流量的原理是：当超声波在流体中传播时，超声波
信号被流体调制；故检测被调制的超声波信号就能提取流体的流速和流量值。根据调制参数分类，超声波流量测量方法有传播速度差法(时差、
相位差、频差)、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波及噪声法等；其中时差法应用最普遍。根据超声波流量计换能器的安装方式分类，分为外夹式、插入式、管段式。外夹式超声波流量计根据
探头安装方式和超声波传播路径，又细分为V、Z、N、W法等。外夹式V法的时差超声波流体流速按下式计算
[0006]
[0007] 式中：t1--顺流传播时间，t2--逆流传播时间；d--管壁直径；θ--超声波传播路径与管壁夹
角。立足国内现有的研究成果和工艺条件，通过超声波流量计的改进设计，克服民用超声波流量计精度欠佳的难題；本文从V法时差超声波流体流速公式切入，逐一剖析民用超声波流量计误差的源由，并提出相应的解决方案。不失一般性，基于XX市的民用超声波流量计典型工况展开论述。
[0008] ·入户燃气输送管的管径d＝30mm，用户燃气流量0.025～4m3/h，
雷诺数66.153-10584.531
[0009] ·入户燃气管径d＝30mm，超声波的传播路径甚短；而标准状态下超声波空气传播速度c＝331.4m/s；显然，过短的传播路径不利流量的测量精度。若在燃气输送管中插入一段長L＞＞D的n形测管，且在测管
水平段的两端安装换能器；流量测量时测管水平段的L相当管径D，传播路径甚短的固有
缺陷有望得到解决。
[0010] ·外夹式V、Z、N、W法的测量精度与换能器安装角θ(超声波入射角)有关，考虑到超声波入射时在管壁及流体界面处会发生折射，即θ误差将产生双重的测量误差。若n形测管水平段的两端安装换能器，θ＝90°安装工艺简单、精度有保证，90°入射又无折射现象；故n形测管集成换能器的一体化结构，有助消除安装角θ误差产生的双重测量误差。
[0011] ·超声波在燃气中传播时存在严重的衰减和扭曲，较大的超声波发射功率是必须的，因此超声波接收端会受到发射端和外部噪声环境的干扰；通常超声波接收端引入“时间接收窗口”技术屏蔽干扰，即超声波发射端信号到达接收端时间t0的0.6～1.5倍时打开和关闭接收
电路。鉴于超声波传播速度与
温度有关，采集实时温度修正超声波传播速度U，U按下式计算
[0012] U＝U0×【1+T/273】0.5＝331.4×【1+T/273】0.5 (2)
[0013] 现有主流【0.6t0，1.5t0】时间接收窗口则可压缩至【0.8t0，1.2t0】，助推超声波流量计抗干扰能力和精度的改进。
[0014] ·
超声波换能器与燃气之间的声阻抗不匹配，选择声阻抗介于压电陶瓷与燃气介质之间的
声匹配层材料，匹配层厚度取超声波
波长1/4；n形测管集成换能器一体化结构中，换能器属插入式安装方，既无外夹式衰减超声波信号的弊端，又相当程度上补全了插入式安装不便、工作量大的短板；提高了超声波流量计精度。
[0015] ·研究表明，单脉冲超声波发射到接收的实际时间t＝t真+ε+ζ+ω，t真发射至接收的理论时间，ε电路延迟时间，ζ计数器时间误差，ω随机噪声误差(满足正态分布)；从数理统计的视角考量，多脉冲测量方法能减小ε、ζ、ω对t真影响，进一步提高超声波流量计的精度。
[0016] 民用超声波燃气表较有代表性的知识产权成果综述如下：
[0017] ·发明专利“一种超声波燃气表混合
信号处理电路”(ZL201410140147.0)，提出一种超声波燃气表混合信号处理电路，通过自动增益模糊控制电路对超声波信号峰值进行实时调节。
[0018] ·发明专利“一种用于超声燃气表中的超声波流量气室”(ZL201310084985.6)，提出一种用于超声燃气表中的超声波流量气室，气室改变传统的V型、X型等安装方式，形成长距离的对射式测量路径。
[0019] 上述有益探索，提出自动增益模糊控制电路对超声波信号峰值实时调节，但混合信号处理电路通过
模拟器件实现，可靠性欠佳、复杂度过高、功能有限；提出长距离对射式测量路径气室，但气室结构复杂、影响燃气流场分布且相应的对策缺位，下置直管段腔体易留杂物、影响测量精度。因此，探索有一定的参考价值，但成果仍存在局限；需在既有成果
基础上作进一步的创新设计。
发明内容
[0020] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一体化换能器的民用超声波燃气表和流量检测方法。
[0021] 一体化换能器的民用超声波燃气表由
数据处理和控制通信单元、时间测量单元、超声波发射/接收切换单元、超声波激励单元、超声波接收单元、换能器一体化结构单元组成，超声波发射/接收切换单元以ADG1234芯片为核心，超声波激励单元包括绝缘栅型MOSFET、升压
变压器，超声波接收单元包括前置放大模
块、二阶
带通滤波模块、
阈值过零检测模块；数据处理和控制通信单元与时间测量单元、超声波发射/接收切换单元相连，超声波发射/接收切换单元与时间测量单元、超声波激励单元、超声波接收单元、换能器一体化结构单元相连；
[0022] 数据处理和控制通信单元控制时间测量单元的运行，读取时间测量单元输出的时间差测量值、通过数据处理和控制通信单元的数据处理和控
制模块生成燃气流量，经数据处理和控制通信单元的蓝牙通信模块上传燃气流量；数据处理和控制通信单元控制超声波发射/接收切换单元模拟
开关的断开和闭合，时间测量单元的发射/接收通道经超声波发射/接收切换单元分别接入超声波激励单元、超声波接收单元；超声波激励单元、超声波接收单元经超声波发射/接收切换单元，分别接入换能器一体化结构单元的第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器，或第2发射&接收两用换能器、第1发射&接收两用换能器。
[0023] 所述的数据处理和控制通信单元包括以MSP430F135芯片为核心的数据处理和
控制模块、型号BLE-CC41-A的蓝牙通信模块，MSP430F135脚32、33分别与BLE-CC41-A脚2、1相连；数据处理和控制模块清洗时间测量单元输出的时间差测量值，基于清洗后的时间差数据求燃气流速，以及燃气流量、流量积算得到的燃气量，经蓝牙通信模块上传燃气流量和燃气量。
[0024] 所述的时间测量单元以TDC_GP21芯片为核心，TDC_GP21脚4、21、28接地，脚14、29接Vcc，R230、C230、R240的一端相连接脚17、18，R230的另一端与脚20、19相连，C230的另一端接地，R240的另一端与脚24、23相连；TDC_GP21脚8、9、10、11、12分别与数据处理和控制模块的MSP430F135脚27、28、31、29、30相连；R210、C210的一端相连接超声波发射/接收切换单元的ADG1234脚3，R210的另一端与脚5相连，C210的另一端与脚30相连；R220、C220的一端相连接超声波发射/接收切换单元的ADG1234脚8，R220的另一端与脚6相连，C220的另一端与脚27相连；TDC_GP21的脚5、脚30组成一个超声波通道，TDC_GP21的脚6、脚27组成另一个超声波通道；
R240的型号为Pt1000铂热
电阻，采集燃气温度T。
[0025] 所述的换能器一体化结构单元包括第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器，第1燃气弯管、第2燃气弯管，n形测管，第1发射&接收两用换能器由LHQ200-3型的第1换能器压电陶瓷
传感器、第1换能器声阻抗匹配层组成，第2发射&接收两用换能器由LHQ200-3型的第2换能器压电陶瓷传感器、第2换能器声阻抗匹配层组成；第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器分别安装在n形测管水平段的左右端；n形测管通过第1燃气弯管、第2燃气弯管接入燃气输送管；
[0026] 第1换能器声阻抗匹配层总厚度为超声波声波波长1/4λ的圆形薄片，总厚度以25℃时200KHz声波波长为基准，为0.425mm；第1换能器声阻抗匹配层由第1换能器环
氧树脂胶体层与第1换能器
云母片构成，第1换能器
环氧树脂胶体层将LHQ200-3型的第1换能器压电陶瓷传感器与第1换能器云母片紧密连接；第1发射&接收两用换能器安装在第1换能器
套管中，第1换能器套管通过第1换能器四枚螺丝
定位固定在n形测管进气端，第1换能器密封
垫圈安放在第1换能器套管与n形测管之间保证气密性；第2发射&接收两用换能器安装方式与第1发射&接收两用换能器类同。
[0027] 所述的燃气表流量检测方法的流程如下：
[0028] (1)时间测量单元(200)采集燃气温度T；
[0029] (2)修正超声波传播速度U＝331.4×【1+T/273】0.5；
[0030] (3)超声波发射端到接收端的传播时间t＝L/U，L：n形测管(650)水平方向上的跨度；
[0031] (4)超声波激励单元(400)在第1发射&接收两用换能器(610)的辅助下，在t时刻发生超声波，超声波接收单元(500)在时间接收窗口[0.8t，1.2t]时间段内进行4次顺流
采样；采样后，超声波发射/接收切换单元(300)切换超声波激励单元(400)和超声波接收单元(500)，按照上述方法进行逆流采样。因此，每个采样周期，获得4个顺流传播时间ti顺和4个逆流传播时间ti逆，得第4个测量时差Δt＝t逆-t顺。
[0032] 超声波激励单元(400)发生N次
激励信号后，共获得4N个测量时差。
[0033] (5)数据清洗：将4N个Δt按大小排序，剔除排序在[1,N]和[3N+1,4N]中的Δt，存储排序在[N+1,3N]之间的Δt。
[0034] (6)对于每一个存储的Δtj,求燃气流速Vj＝[Δτj/τj逆ⅹτj顺]ⅹ0.5L；
[0035] N个测量周期的平均燃气流速为：
[0036] N个测量周期的平均燃气流量为：Qaverage＝Vaverage×S测管，S测管测管截面[0037] N个测量周期的4燃气量为：Vol＝Qaverage×4N Ts。
[0038] 本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：n形测管集成换能器一体化结构，测管水平段長度相当管径、换能器90°安装，克服了超声波传播路径短、安装角θ≠90°缺陷；根据实测温度修正超声波传播速度，压缩时间接收窗口，提高了超声波流量计抗干扰能力和精度；声匹配层材料的声阻抗介于压电陶瓷与燃气介质间，匹配层厚度取超声波波长1/4，减少了不同介质界面上的超声波折射传播衰减、提升了超声波流量计精度；时差数据借助数据清洗技术，有助消除燃气流场复杂多变对精度的影响。
附图说明
[0039] 图1是一体化换能器的民用超声波燃气表原理
框图；
[0040] 图2是数据处理和控制通信单元的电路图；
[0041] 图3是时间测量单元的电路图；
[0042] 图4(a)是换能器一体化结构单元的结构图；
[0043] 图4(b)是换能器声阻抗匹配层的结构图；
[0044] 图4(c)是换能器在n形测管上的装配图；
[0045] 图5是一体化换能器超声波燃气表流量检测的
流程图。
具体实施方式
[0046] 如图1、图4所示，一体化换能器的民用超声波燃气表由数据处理和控制通信单元100、时间测量单元200、超声波发射/接收切换单元300、超声波激励单元400、超声波接收单元500、换能器一体化结构单元600组成，超声波发射/接收切换单元300以ADG1234芯片为核心，超声波激励单元400包括绝缘栅型MOSFET、
升压变压器，超声波接收单元500包括前置放大模块、二阶带通滤波模块、阈值过零检测模块；数据处理和控制通信单元100与时间测量单元200、超声波发射/接收切换单元300相连，超声波发射/接收切换单元300与时间测量单元200、超声波激励单元400、超声波接收单元500、换能器一体化结构单元600相连；
[0047] 数据处理和控制通信单元100控制时间测量单元200的运行，读取时间测量单元200输出的时间差测量值、通过数据处理和控制通信单元100的数据处理和控制模块生成燃气流量，经数据处理和控制通信单元100的蓝牙通信模块上传燃气流量；数据处理和控制通信单元100控制超声波发射/接收切换单元300模拟开关的断开和闭合，时间测量单元200的发射/接收通道经超声波发射/接收切换单元300分别接入超声波激励单元400、超声波接收单元500；超声波激励单元400、超声波接收单元500经超声波发射/接收切换单元300，分别接入换能器一体化结构单元600的第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器，或第2发射&接收两用换能器、第1发射&接收两用换能器。
[0048] 说明1：超声波发射/接收切换单元执行时间测量单元两条超声波通道的发射/接收切换，执行换能器一体化结构单元第1发射&接收两用换能器、第2发射&接收两用换能器的发射/接收切换；超声波激励单元放大、整形时间测量单元提供的超声波信号，驱动发射换能器发射超声波；超声波接收单元放大、调理接收换能器接收的超声波信号，并对调理信号进行阈值过零处理。
[0049] 如图2所示，数据处理和控制通信单元100包括以MSP430F135芯片为核心的数据处理和控制模块110、型号BLE-CC41-A的蓝牙通信模块120，MSP430F135脚32、33分别与BLE-CC41-A脚2、1相连；数据处理和控制模块110清洗时间测量单元200输出的时间差测量值，基于清洗后的时间差数据求燃气流速，以及燃气流量、流量积算得到的燃气量，经蓝牙通信模块120上传燃气流量和燃气量。
[0050] 如图3所示，时间测量单元200以TDC_GP21芯片为核心，TDC_GP21脚4、21、28接地，脚14、29接Vcc，R230、C230、R240的一端相连接脚17、18，R230的另一端与脚20、19相连，C230的另一端接地，R240的另一端与脚24、23相连；TDC_GP21脚8、9、10、11、12分别与数据处理和控制模块110的MSP430F135脚27、28、31、29、30相连；R210、C210的一端相连接超声波发射/接收切换单元(300)的ADG1234脚3，R210的另一端与脚5相连，C210的另一端与脚30相连；R220、C220的一端相连接超声波发射/接收切换单元300的ADG1234脚8，R220的另一端与脚6相连，C220的另一端与脚27相连；TDC_GP21的脚5、脚30组成一个超声波通道，TDC_GP21的脚6、脚27组成另一个超声波通道；R240的型号为Pt1000铂热电阻，采集燃气温度T。
[0051] 说明2：根据燃气温度T修正超声波传播速度U＝U0×【1+T/273】0.5＝331.4×【1+T/273】0.5；压缩时间接收窗口至【0.8t0，1.2t0】，t0超声波信号从发射端到接收端的理论时间；
TDC_GP21在“时间接收窗口”对超声波接收信号使能，提高超声波流量计抗干扰能力和精度。
[0052] 如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，换能器一体化结构单元600包括第1发射&接收两用换能器610、第2发射&接收两用换能器620，第1燃气弯管630、第2燃气弯管640，n形测管650，第1发射&接收两用换能器610由LHQ200-3型的第1换能器压电陶瓷传感器611、第1换能器声阻抗匹配层612组成，第2发射&接收两用换能器620由LHQ200-3型的第2换能器压电陶瓷传感器621、第2换能器声阻抗匹配层622组成；第1发射&接收两用换能器610、第2发射&接收两用换能器620分别安装在n形测管650水平段的左右端；n形测管650通过第1燃气弯管
630、第2燃气弯管640接入燃气输送管；
[0053] 第1换能器声阻抗匹配层612总厚度为超声波声波波长1/4λ的圆形薄片，总厚度以25℃时200KHz声波波长为基准，为0.425mm；第1换能器声阻抗匹配层612由第1换能器环氧树脂胶体层613与第1换能器云母片614构成，第1换能器环氧树脂胶体层613将LHQ200-3型的第1换能器压电陶瓷传感器611与第1换能器云母片614紧密连接；第1发射&接收两用换能器610安装在第1换能器套管615中，第1换能器套管615通过第1换能器四枚螺丝616定位固定在n形测管650进气端，第1换能器密封垫圈617安放在第1换能器套管615与n形测管650之间保证气密性；第2发射&接收两用换能器620安装方式与第1发射&接收两用换能器610类同。
[0054] 如图5、图4(a)和图3所示，上述装置的检测方法包括：
[0055] 1.时间测量单元200采集燃气温度T
[0056] 2.修正超声波传播速度U＝U0×【1+T/273】0.5＝331.4×【1+T/273】0.5
[0057] 3.超声波发射端到接收端的传播时间t＝L/U L：n形测管長度
[0058] 得“时间接收窗口”[0.8t，1.2t]-TDC_GP21发射&接收使能时间
[0059] 4.时间测量单元i∈[1，4N]、N正整数Ts时间测量周期
[0060] 一条/另一条超声波通道发射/接收顺流信号、得ti顺
[0061] 另一条/一条超声波通道发射/接收逆流信号、得ti逆
[0062] 得第i次测量时差Δti＝ti逆-ti顺
[0063] 5.数据清洗
[0064] Δti按大小排序Δτj清洗剔除差异大Δτj j∈[1,N]和[3N+1,4N]
[0065] 存储相近时间差数据Δτj，j∈[N+1,3N]
[0066] 基于相近Δτj求燃气流速Vj＝[Δτj/τj逆ⅹτj顺]ⅹ0.5L
[0067] 求4N测量周期的平均燃气流速
[0068] 求4N测量周期的平均燃气流量Qaverage＝Vaverage×S测管，S测管测管截面[0069] 求4N测量周期的燃气量Vol＝Qaverage×4N Ts。
[0070] 具体流程如下：
[0071] (1)时间测量单元200采集燃气温度T；
[0072] (2)修正超声波传播速度U＝331.4×【1+T/273】0.5；
[0073] (3)超声波发射端到接收端的传播时间t＝L/U，L：n形测管650水平方向上的跨度；
[0074] (4)超声波激励单元400在第1发射&接收两用换能器610的辅助下，在t时刻发生超声波，超声波接收单元500在时间接收窗口[0.8t，1.2t]时间段内进行4次顺流采样；超声波发射/接收切换单元300切换超声波激励单元400和超声波接收单元500，按照上述方法进行逆流采样。因此，每个采样周期，获得4个顺流传播时间ti顺和4个逆流传播时间ti逆，得第4个测量时差Δt＝t逆-t顺。
[0075] 超声波激励单元400发生N次激励信号后，共获得4N个测量时差。
[0076] (5)数据清洗：将4N个Δt按大小排序，剔除排序在[1,N]和[3N+1,4N]中的Δt，存储排序在[N+1,3N]之间的Δt。
[0077] (6)对于每一个存储的Δtj,求燃气流速Vj＝[Δtj/tj逆ⅹtj顺]ⅹ0.5L；
[0078] N个测量周期的平均燃气流速为：
[0079] N个测量周期的平均燃气流量为：Qaverage＝Vaverage×S测管，S测管测管截面[0080] N个测量周期的4燃气量为：Vol＝Qaverage×4N Ts。
