基于射流原理的高精度低功耗天然氣流量測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于射流原理的高精度低功耗天然氣流量測量方法及裝置，該方法通過放置兩個壓電傳感器，檢測兩個反相振動信號，通過低功耗、低輸入阻抗的電路，精確提取流體的振動信號，并通過兩路信號的融合，去除信號的噪聲，提高測量的精度以及測量的量程比；裝置由射流基表和射流二次儀表組成，射流基表包括噴嘴、側(cè)壁、安裝槽、壓電傳感器、反饋通道、殼體和分流劈，射流二次儀表包括單片機、傳感器信號處理電路、與門電路、存儲電路、按鍵電路、脈沖輸出電路和段碼顯示電路。本發(fā)明環(huán)境適應(yīng)性強，采用低功耗設(shè)計理念，可實現(xiàn)電池供電。工作穩(wěn)定，成本低，精度高，測量精度優(yōu)于1%，量程較大，可高達40:1。
【專利說明】基于射流原理的高精度低功耗天然氣流量測量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天然氣流量計量【技術(shù)領(lǐng)域】，設(shè)及一種基于射流原理的高精度低功耗天 然氣流量測量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣作為一種清潔能源，其能量較其他化石能源具有更高的利用效率，對國家 工業(yè)生產(chǎn)和民用生活的影響越來越大。因此，其市場占有份額在逐年增加。計量作為工業(yè) 的"眼睛"，在天然氣的開采、運輸、存儲、貿(mào)易和使用的過程中，有著不可替代的作用。因此， 天然氣的計量工作是對天然氣進行科學(xué)管理的一項重要技術(shù)工作。當前在國家工業(yè)生產(chǎn)和 民用生活中，尤其是在小流量的情況下，膜式燃氣表市場占有率很大。但是，膜式燃氣表作 為機械式燃氣表具有使用壽命短的致命缺點，而且，其計量精度受機械加工精度的影響，工 作溫度范圍小。而射流流量計幾乎沒有壓損，無機械可動部件，可靠性高，同時射流流量計 測量下限低，但在低流速時信號很容易受到外界干擾。
[0003] 現(xiàn)有的射流流量計一般采用差分放大技術(shù)來提取信號，采用該種方法的優(yōu)點是微 弱信號放大能力強；缺點是在空氣中時容易將工頻信號放大出來，容易造成流量誤計量。而 采用相關(guān)放大技術(shù)的射流流量計有比差分放大技術(shù)更好的信號放大性能，下限性能更加良 好，放在空氣中時也能抑制工頻噪聲干擾防止誤計量，但是很難實現(xiàn)測量的低功耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于射流原理的高精度低功耗天然氣流 量測量方法及裝置，該方法通過放置兩個壓電傳感器，檢測兩個反相振動信號，通過低功 耗、低輸入阻抗的電路，精確提取流體的振動信號，并通過兩路信號的融合，去除信號的噪 聲，提高測量的精度W及測量的量程比；裝置由射流基表和射流二次儀表組成，射流基表包 括噴嘴、側(cè)壁、安裝槽、壓電傳感器、反饋通道、殼體和分流劈，射流二次儀表包括單片機、傳 感器信號處理電路、與n電路、存儲電路、按鍵電路、脈沖輸出電路和段碼顯示電路。裝置W 單片機為核屯、，采用電荷放大電路采集壓電傳感器信號，二階切比雪夫低通濾波電路對信 號進行濾波放大，再運用滯回比較電路產(chǎn)生脈沖信號，單片機通過采集脈沖信號的頻率獲 得流速值，結(jié)合單片機的定時功能，流速值對時間積分，就可得知一段時間內(nèi)天然氣的累積 量。
[0005] 本發(fā)明具體是將W射流振蕩元件為核屯、的基表安裝在天然氣管道的主通道上，在 射流振蕩元件的兩個反饋通道內(nèi)分別對稱放置兩個壓電傳感器，用W感知流體的振蕩頻 率，傳感器信號處理電路將壓電傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，便于單片機采集，然后 單片機通過公式（4)求出流速值，結(jié)合單片機的定時器功能，即可求出流體一定時間內(nèi)的 累積量，并將累積量顯示在段碼顯示器上。與口電路用于消除干擾信號的影響；存儲電路用 于存儲流量計的儀表系數(shù)、累計流量和系統(tǒng)參數(shù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電保護功能。按鍵 電路能夠?qū)崿F(xiàn)儀表系數(shù)、輸入脈沖頻率、流體流速和流體的累積量之間的切換顯示和系統(tǒng) 參數(shù)的修改。脈沖輸出電路能夠?qū)崿F(xiàn)流量計的校準，而且此脈沖輸出具有隔離作用，能夠減 弱工業(yè)現(xiàn)場的干擾。
[0006] 本發(fā)明的有益效果在于；本發(fā)明環(huán)境適應(yīng)性強，采用低功耗設(shè)計理念，可實現(xiàn)電池 供電。工作穩(wěn)定，成本低，精度高，測量精度優(yōu)于1%，量程較大，可高達40:1。
[0007] 本發(fā)明的裝置具有功耗低、抗干擾性強W及精度高等優(yōu)點，可W實現(xiàn)對天然氣流 量的計量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[000引圖1是本發(fā)明的測量系統(tǒng)原理框圖； 圖2是本發(fā)明的具體電路實例； 圖3是本發(fā)明的流量測量結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0009] W下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0010] 其中壓電傳感器1和傳感信號處理電路2與壓電傳感器3和傳感信號處理電路4 完全相同，在此只對壓電傳感器1和傳感信號處理電路2作描述。
[0011] 圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)原理框圖，包括存儲器6、信號輸入部分和信號輸出部分。 其中，信號輸入部分包括壓電傳感器1、傳感器信號處理電路2、與口電路5和按鍵電路7 ; 信號輸出部分包括脈沖輸出電路8和段碼顯示電路9。存儲電路6運用I化總線與單片機 10進行數(shù)據(jù)傳輸，其型號為FM24化04,該存儲器工作穩(wěn)定，存取速度快，可W實現(xiàn)掉電保護 等存儲功能；壓電傳感器1、3分別放置于圖3中的位置14、18,用W感應(yīng)兩個反饋通道中的 壓力，壓電傳感器1的輸出的電荷量與反饋通道12中的壓力大小成正比；傳感器信號處理 電路2包括電荷放大電路、二階切比雪夫低通濾波電路和滯回比較電路，其中電荷放大電 路又稱電荷-電壓變換電路，其作用是將壓電傳感器1產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；二 階切比雪夫低通濾波電路對該信號進行濾波放大處理，提高信號的信噪比，使信號波形變 得更加光滑，濾掉噪聲信號；滯回比較電路將信號波形由正弦波轉(zhuǎn)化為方波脈沖，W利于單 片機10的計數(shù)器A采集傳感器輸出信號的頻率；與口電路5將兩路傳感信號處理電路的輸 出信號作與運算，由于兩路信號相位相反，當與口輸出為高電平時，說明輸出信號有干擾脈 沖影響，則此次脈沖信號無效；按鍵電路7所使用的按鍵為機械開關(guān)，在按鍵開關(guān)閉合和斷 開的瞬間均伴隨一連串的抖動，因此，在按鍵開關(guān)S1?S3上并聯(lián)分別一個電容C15?C17,利 用電容的放電延時，實現(xiàn)消除抖動；脈沖輸出電路8能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖輸出功能，光禪器件U11 起隔離作用，能夠減弱工業(yè)現(xiàn)場的干擾，提高輸出脈沖的穩(wěn)定性；段碼顯示電路9與單片機 10的液晶端口連接，結(jié)合按鍵電路能夠?qū)崿F(xiàn)儀表系數(shù)、輸入脈沖頻率、流體的流速和流體的 累積量的切換顯示和系統(tǒng)參數(shù)的修改。
[0012] 圖2是本發(fā)明的一種具體電路實例。壓電傳感器首先經(jīng)過R1、C1和C2對傳感器 信號濾波預(yù)處理；其次，信號進入U1、R2和C3組成的電荷放大器，信號由電荷信號轉(zhuǎn)換為電 壓信號；再次，信號經(jīng)過C4濾除直流分量后，進入U2、R3、R4、貼、R6、巧和C6組成的二階 切比雪夫低通濾波放大電路，信號被放大并且波形變得更加"光滑";最后，信號進入U3、R7、 R8和C7組成的滯回比較電路，傳感器信號由正弦波信號變?yōu)榉讲}沖信號；單片機的外部 計數(shù)器PI. 5采集脈沖信號的個數(shù)，結(jié)合單片機內(nèi)部定時器，可得知脈沖信號的頻率；UlO、 R17和R18構(gòu)成外部存儲電路，用W存取數(shù)據(jù)和實現(xiàn)掉電保護等存儲功能；S1?3、R19?R21和 C15?C17組成=路按鍵電路，用W實現(xiàn)儀表系數(shù)、輸出脈沖頻率、流體的流速和流體的累積 量之間的切換顯示和系統(tǒng)參數(shù)的修改；U1UR22和R23組成光電隔離式脈沖輸出電路，用W 實現(xiàn)對流量計的校準；U8為段碼顯示屏，其引腳與單片機的液晶端口連接。
[0013] 圖3是本發(fā)明的流量測量結(jié)構(gòu)圖，它包括噴嘴11、側(cè)壁12、安裝槽13、壓電式壓力 傳感器安裝位置14、18、反饋通道15、殼體16和分流劈17。流體由噴嘴11射入殼體16內(nèi) 腔，根據(jù)附壁效應(yīng)的結(jié)論，流體會隨機的附著于某一個側(cè)壁12上，大部分流體經(jīng)過出口流 出，小部分流體經(jīng)過反饋通道15返回噴嘴11處，該一小部分流體作用于進入噴嘴11的流 體，改變流體的附著狀態(tài)，使流體附著于另一個側(cè)壁12上，同樣的，部分流體會經(jīng)過反饋通 道作用于進入噴嘴11的流體，使之又附著于原來的側(cè)壁12,如此循環(huán)往復(fù)，流體回周期性 的分別附著于兩個側(cè)壁12上，流體流速越大，附壁效應(yīng)越明顯，其交替附著的頻率越大，通 過壓電傳感器采集天然氣交替附著的頻率，根據(jù)公式（4)，即可求出通過殼體16的天然氣 的流速，流速對時間積分，就可得知一段時間內(nèi)通過殼體16的天然氣的累積量。
[0014] W單片機為控制系統(tǒng)，其工作原理如下： 當流體經(jīng)過噴嘴射入射流振蕩元件內(nèi)腔后，反饋通道會誘使流體周期性振蕩，其振 蕩頻率f與噴嘴處流體的平均線流速V成正比，其比例關(guān)系如公式（1)所示，其中St是 Strcnihal數(shù)，在較寬的流體流速和密度范圍內(nèi)基本恒定，d是一個與流體振動振幅有關(guān)的 尺寸系數(shù)；根據(jù)公式（2)即可獲知入口處的面流速Q(mào)y，其中S為射流元件入口處截面積；根 據(jù)公式（1)和公式（2)即可獲知本發(fā)明的儀表系數(shù)K，其值如公式（3)所示。因此，在其中一 路反饋通道上放置一個壓電傳感器，用W感應(yīng)反饋通道內(nèi)壓力的周期性變化，傳感器信號 處理電路把傳感器信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，并將此脈沖信號輸入單片機的外部計數(shù)器端口， 根據(jù)公式（4)即可求出天然氣通過流量計的面流速Q(mào)y，結(jié)合單片機的定時器功能，即可求出 流體一定時間內(nèi)的累積量并將累積量顯示在段碼式液晶顯示屏上。

【權(quán)利要求】
1. 基于射流原理的高精度低功耗天然氣流量測量方法，其特征在于：將以射流振蕩元 件為核心的基表安裝在天然氣管道的主通道上，在射流振蕩元件的兩個反饋通道內(nèi)分別對 稱放置兩個壓電傳感器，用以感知流體的振蕩頻率，采用電荷放大電路采集壓電傳感器信 號，二階切比雪夫低通濾波電路對信號進行濾波放大，再運用滯回比較電路產(chǎn)生脈沖信號， 單片機通過采集脈沖信號的頻率獲得流速值，結(jié)合單片機的定時功能，流速值對時間積分， 就可得知一段時間內(nèi)天然氣的累積量。
2. 實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于：它包括內(nèi)部安裝有壓電傳感器的射 流基表、單片機、傳感器信號處理電路、與門電路、存儲電路、按鍵電路、脈沖輸出電路和段 碼顯示電路；傳感器信號處理電路有兩路，分別與兩個壓電傳感器對應(yīng)，兩路傳感器信號處 理電路分別與單片機的計數(shù)器端口 P1. 4和P1. 5相連；與門電路與單片機的P1. 3相連；存 儲電路與單片機的P1. 6和P1. 7相連；按鍵電路與單片機10的P1. 0?P1. 2 口相連；脈沖 輸出電路與單片機的P2. 2 口相連；段碼式液晶顯示電路與單片機的液晶接口相連； 所述壓電傳感器分別放置于射流基表的兩個反饋通道內(nèi)； 所述單片機采用MSP430F4371芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于：每個傳感器信號處理電路包括電荷放大 電路、二階切比雪夫低通濾波電路和滯回比較電路，能夠有效地抑制工頻干擾，提高傳感器 的測量精度；其中，電荷放大電路用于采集壓電傳感器的輸出信號，將傳感器輸出的電荷信 號轉(zhuǎn)換為電壓信號；二階切比雪夫低通濾波電路再對此信號進行濾波處理，使信號的波形 變得更加平滑；滯回比較電路使信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，以利于單片機采集。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于：兩路傳感器處理電路的輸出端連接到與 門電路的輸入端，由于兩路信號相位相反，當與門輸出為高電平時，說明有干擾影響，此次 脈沖信號無效。
【文檔編號】G01F1/36GK104501885SQ201410811552
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】趙偉國, 周開喜, 章圣意, 周浩杰 申請人:中國計量學(xué)院