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智能超聲波燃氣表國產化應用解決方案

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一、燃氣表行業背景分析

近年來,我國加快推進“煤改氣”工程建設,天然氣已經成為我國現代清潔能源體系的主體能源之一。到2020年,天然氣在一次能源消費結構中的占比力爭達到10%左右,到 2030 年,占比提高到15%左右。在這些燃氣迅速發展的利好消息促進下,燃氣計量行業將迎來巨大的發展契機。膜式燃氣表因其技術成熟、質量穩定和價格低廉等優點,在我國城市燃氣發展中得到廣泛應用,隨著計算機和微電子技術的發展,膜式表也逐步實現了智能化,目前在燃氣計量行業仍然占據著主導地位。但膜式燃氣表結構復雜、易磨損、易受管道介質溫度壓力等客觀因素的影響,導致測量精度降低。熱式(MEMS)燃氣表是利用熱傳遞原理測量燃氣標準狀況下流量的一種新型燃氣計量器具,采用全電子結構,無機械運轉部件,體積小、精度高。雖然可以針對特定天然氣組分進行修正,但是從原理上還是易受多種不同氣體組分影響,溫度的影響修正也相對復雜,同時長期的污染物沉積使得MEMS芯片響應變慢影響精度,使得其應用受到限制。超聲波燃氣表以其非接觸測量、無可動部件、無壓力損失、極高的計量精度和可結合更多的智能化應用等優勢,引起國內外的高度重視,是近年來燃氣計量領域的開發熱點。


二、超聲波燃氣表的研究與應用現狀

其實早在上世紀九十年代,英國、德國等國的多家燃氣公司已陸續開發了超聲波燃氣表。受當時超聲波探頭、計時芯片、電子技術等的因素限制,價格還是非常高昂,無法與傳統膜式燃氣表競爭。進入二十世紀后,超聲波燃氣表的關鍵部件價格大大降低,迎來了超聲波燃氣表的快速發展。日本東京燃氣公司于2003年7月開展了超聲波燃氣表的各種現場測試,于2005年率先安裝了5000臺超聲波燃氣表至用戶家中,在2008年全面使用超聲波燃氣表。目前國際上的超聲波燃氣表技術主要來源于松下、西門子等公司,他們在超聲波領域深耕多年,從流道結構、軟件算法、超聲波換能器及模塊到整機,都有著諸多自主知識產權技術。雖然國內現有多家燃氣表公司開始研發超聲波燃氣表,但是大多數廠家還是使用松下的超聲波燃氣表傳感器方案,也就是購買松下的電路板和超聲波探測器,自己配套外殼組裝成超聲波燃氣表。這樣的模式使得國內廠家生產的超聲波燃氣表價格偏高,市場推廣受到限制。我國燃氣表產業生態已經基本建立,因此積極開展自主知識產權、可以滿足燃氣表規范要求的超聲波氣體流量傳感器的技術研究,對于打破國外技術壟斷、促進我國燃氣表轉型升級發展具有重要意義。


三、超聲波燃氣表氣體流量傳感器核心關鍵

(1)超聲波換能器的自主研制。目前滿足超聲波燃氣表計量要求的核心部件的超聲波換能器基本都是進口,價格占總成本的40%。國產化的難點是其帶寬以及高低溫特性,既要保證較長的測試距離提高測試分辨率、較高靈敏度提高信噪比,還需要考慮不同溫度下的測試漂移。

(2)燃氣表的性能和穩定性問題。超聲波燃氣表由于無機械部件,理論上穩定性較傳統膜式表要高很多,但膜式表在國內多年的使用中,已廣泛被燃氣表公司和客戶接受。超聲波燃氣表如何在穩定性上達到燃氣表公司的需求,打消燃氣表公司的顧慮,是超聲波燃氣表邁向市場化的非常重要的一關。

(3)氣體污染問題。與膜式燃氣表一樣,由于超聲波燃氣表的常年運行,燃氣中的粉塵或雜質會附著在超聲波換能器上,影響換能器對信號的接收敏感度,從而影響燃氣表測量準確度。

(4)氣源適應性問題。天然氣密度比空氣小,信號也較空氣小;不同密度的氣體通過超聲波換能器后,其信號的波形會很不穩定。超聲波信號傳輸會受傳播介質、環境(溫度、濕度、壓力)以及管道內反射等各種因素影響,接收到的超聲波信號通常存在著波形變化、幅值變化。因此,家用波燃氣表要想進入家庭,并廣泛使用,對氣源的適應性是需要克服的最重要一關。


四、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器技術特點

四方光電公司自2008年開展對超聲波氣體傳感器的研究以來,通過在超聲波換能器、時間計量芯片以及時差自動計算方法、流程成分同時感知等領域取得突破,特別是在超聲波氧氣流量傳感器、超聲波沼氣流量計等領域實現了規模化生產應用,具有較好的技術和產業基礎。針對家用燃氣表需要的超寬量程比、寬溫度范圍、抗污能力、脈動氣流測量等特殊要求,開發成功滿足超聲波燃氣表用的超聲波氣體流量傳感器。

(1)“L”型流道結構設計。超聲波燃氣表用超聲波氣體流量傳感器采用“L”型流道設計包括腔體、進氣口、出氣口及兩個超聲波換能器,通過將氣室腔體的橫截面設置為圓形,將超聲波信號在第一個換能器安裝孔和第二換能器安裝孔之間的傳播路徑設置為“L”型流道,如圖1所示。

 

圖1燃氣表用超聲波氣體流量傳感器結構原理圖

傳統超聲波燃氣表氣體流量計量氣室的“W”型發射流道,“V”型對射單通單流道以及“N”型對射單通單流道,都是通過超聲波在流道內產生一次或多次反射而形成的路徑以增加超聲波聲程,間接增大了換能器的有效距離,從而獲得更高測量精度。但其缺點是通過反射后探測器信號較弱,信噪比降低,對換能器的要求很高。因此造成成本也較高。采用“L”型流道、圓形橫截面的超聲波燃氣模塊,克服了現有超聲波燃氣表氣體流量計量氣室管道的橫截面積較大,氣室體積較大,成本較高的問題,以及兩個超聲波換能器之間傳播距離較短,降低測量結果準確性的問題。同時,還避免了被測氣體中的污染物污染超聲波換能器,從而影響檢測結果準確性的問題。

2用雙閾值過零檢測與數據選擇技術。以時差法超聲波氣體流量計為基礎,采用雙閾值過零檢測與數據選擇算法技術,區別于超聲波自動增益控制法,不對信號進行處理,通過關聯幅值與飛行時間周期變化的關系,根據幅值判斷飛行時間是否發生周期性變化,從實際測量得到多個結束方波脈沖對應的時間值中選擇合適的結果,作為最終的飛行時間,從而精確計算氣體流量。

3自動調零算法。燃氣表在溫度、壓力等外部因素變化條件下,對超聲信號產生一定的影響,從而影響計量的時間差;此產生的時間差變化,可能只有ns級別,對高端流量幾乎沒影響;但對于低端流量,特別是Qmin,影響非常大,造成測量精度超過標準要求。另外,燃氣表在無流量情況下的零點,可能受到超聲波換能器零點的漂移影響,產生整體計量的漂移,對低端流量造成較大的影響,這是低端流量精度和穩定性超標最重要的原因。

針對超聲波換能器的零點漂移問題,在軟件算法上,采用自動調零的處理算法,超聲波燃氣表采用可調整的零點,并根據超聲波換能器的信號波動特點,軟件上自動調整超聲波燃氣表的零點,保證在外部因素或內部因素作用下,超聲波燃氣表的零點隨環境變化而適當做出調整,抵消由于零點漂移對低端流量產生影響;同時,考慮電路整體對時間差值的影響,在軟件算法上,補償此部分對測量的影響。


五、超聲波燃氣表用氣體流量傳感器的應用

基于自主知識產權技術的氣體流量傳感器硬件和軟件核心技術,四方光電公司針對我國家用表以及五小工商戶客戶的需求,成功開發超聲波家用和商用燃氣表。其核心傳感器部件見圖2:

 

2. 家用和商用超聲波燃氣表核心傳感器部件

解決核心燃氣表氣體流量傳感器后,就可以利用以往具有的外殼、皮膜閥、電源管理等組裝燃氣表。圖3是采用超聲波核心流量傳感器的G4燃氣表

 

3. G4超聲波燃氣表(內置國產化核心流量傳感器)

根據燃氣表的計量要求,進行了寬量程的燃氣表誤差特性以及耐久性實驗。

 

4. G4超聲波燃氣表典型誤差曲線

 

5. G4超聲波燃氣表耐久性誤差曲線

由于我國超聲波燃氣表的國家標準還處于征求意見稿階段,因此借鑒了EN-14236歐洲有關“ultrasonic-domestic-gas-meters”標準進行完整的測試。除以上圖示的基本試驗,還進行了線性度、壓損、高低溫、交變濕熱、耐粉塵、脈動流量等試驗。試驗表明基于超聲波氣體流量傳感器核心模塊的燃氣表均滿足燃氣表的各項指標要求。


作者簡介

熊友輝博士,教授級高工。中國科協九大代表、中國儀器儀表學會理事、分析儀器分會副理事長。主持過科技部重大科學儀器設備開發專項、工信部物聯網專項、湖北省重大科技專項等多項國家和省市科技項目。現任武漢四方光電科技有限公司總經理。

公司簡介

武漢四方光電科技有限公司是一家專業從事氣體傳感器、氣體分析儀器及物聯網解決方案的國家高新技術企業,其全資子公司——湖北銳意自控系統有限公司,以自主知識產權的核心傳感器技術為依托,陸續推出了紅外/紫外煙氣分析儀、紅外煤氣分析儀、紅外天然氣熱值儀、激光拉曼氣體分析儀等氣體成分分析儀器,并先后研制了超聲波氣體流量計、超聲波燃氣表核心傳感器部件、智能超聲波燃氣表等燃氣流量測量產品。四方光電通過了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有關質量、環境、健康安全、汽車電子等體系認證,目前已與多家世界五百強企業建立長期配套合作關系。

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