气体涡轮流量计

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压电传感器阵列的声呐流量计应用系统设计

2019-03-23 15:26:56 气体涡轮流量计 阅读
流量计是工业生产中必须检测的四大工艺测量参数之一,关系到生产过程的质量与安全。在工业现场应用的流量检测仪表不仅应用环境复杂多变,而且对其应用的可靠性和精确性要求也越来越高,既要满足工业工艺生产安全需求,又要满足工艺生产过程质量和计量需求。目前流量检测仪表按照原理有差压式、容积式、涡街式、电磁式以及超声时差法和多普勒频移法等,上述原理的流量检测仪表存在各种各样的问题,难以适应复杂多变的工业现场, 例如流体不满管、高粉尘环境等。声呐流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度压力、粘度、密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决其他类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
本文详细介绍了声呐流量计的基本原理和实现方法,在系统设计中,高度重视系统的稳定性:在硬件电路设计时采用复位电路保证系统的正常运行,对于电路中存在的相关干扰也采取了相应的措施。在软件设计时,采用温度补偿、二维傅里叶变换变换等方法尽量减小误差,提高系统的测量精度。
工作原理
研究表明,流体分子到达管壁时具有的动能有90%以上转化为压力的形式,故压力是流体与管壁传递能量的主要形式。流体在管道中流动时会产生湍流,通过传感器阵列采集湍流涡团的脉动信息可以计算出涡团的流速,而涡团的流速即为流体的流速,从而通过流速得到流量。阵列信号采集处理图如图1所示。
但由于时域信号噪声较大,直接计算会出现比较大的
误差,因此将各个阵元检测的时域信号适当变换,从时域变换到波数-频率域(即  k-ω       空间),得到信号的三维频谱
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图,通过提取出频谱图中对流脊的斜率,可以准确地得到管道中流体的流速。k-ω 空间信号的三维频谱图如图2 所示。相对于其他测量方法无法精确测量的流体,如多相流、组分比不均的固液混合流体等,这种测量原理具有无可比拟的优势,并且还能确保很高的测量精度。
产品设计
2.1   主控系统
流量计主控系统负责完成信号调理、信号采集、信号处理、结果输出功能。信号调理单元以可变增益放大器组合为核心,前端设计有抗混叠滤波器;信号采集单元须完成8 路音频模拟信号采集,由 FP- GA 控制协同8 路传感器信号的同步采集,实现快速的实时性要求;信号处理单元采用 DSP 阵列算法对采集到数据进行处理,通过专有编制的流量算法模型实现流量结果输出;以太网通信、键盘显示控制、模拟/数字信号输出(Modbus/RTU RS-485/232通信)等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成。
主控系统软件操作系统选择基于 Linux的操作系统,其优点在于:内核开放,能够自主进行各种函数和库的调用和编译;不涉及到软件任何知识产权的侵权问题;Linux属于更新比较快的主流操作系统,其内核更新后可实现快速编译更新等。
基于 ARM 的微机控制子系统物理模块如图3 所示。CPU 用于控制数据读取存储和运算,并控制输入输出设备I/O 模块,通过 USB 接口与数据处理模块 FPGA/DSP系统连接。
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数字电路总体功能框图如图4 所示,A/D、D/A 芯片均采用双通道处理处理芯片,通过 FPGA+DSP 进行数据处理。数字电路与微机控制系统通过 USB 接口芯片进行控制信息通信。FPGA+DSP 模块中包含阵列处理算法框图,传感器阵列数据经过转换输入进行变换和识别处理,并进行精度修正处理得出相应流速数据,通过 USB  接口和 CPU  通信进行历史数据叠加,得到总体流量信息。2.2   PVDF阵列传感器
2.2.1   PVDF压电薄膜的压电方程
当 PVDF 压电薄膜被施加外力时,由于晶体内部的不对称性,正负电荷的中心开始偏移,它的上下两个表面会产生极性相反、大小相等的电荷,这种现象称为压电效应。当作为传感器时,PVDF 将外界的力学量转化成电信号输出,压电薄膜满足第一类压电方程:
D = d31σ1
其中,D 为电位移矢量,d31 为薄膜的压电常数,σ1   为薄膜所受管周方向的应力。
2.2.2   传感器的设计和制作
阵列传感器由 8 个压电薄膜传感器组成,将 8 个PVDF 压电薄膜分别粘贴在8条长铜片上,制作成传感器带。每条铜片间隔距离为80 mm,铜片厚度为0.1 mm。传感器带两端用夹具固定,然后将传感器带安装在包裹有 防静电薄膜的管道上,通过螺栓和弹簧将传感器带紧紧包 裹固定在管道圆周方向上。弹簧的主要作用是使得各条PVDF 压电薄膜受力均匀,防止受力不均对实验结果有影响。用扭力扳手以一定的力安装好传感器带之后,将8 对传感器电极引线分别与前置放大电路的电缆连接,通过电 缆将传感器的电信号接入前置放大电路中。整个传感器 阵列外面需要用金属材料进行严密的包裹,以防止环境中 的电磁干扰。
图5所示为实验中所用到的铜片和压电薄膜。铜片两头较中间部分宽,压电薄膜粘贴在中间部分。当铜片两端受到拉力作用时,中间受到的应力要比两端部分大,这样压电薄膜能够更好地紧紧贴在铜片上,更好地采集湍流信号。同时为了防止应力集中使得铜片断裂,在由两端向中间过渡的部分设计成圆弧。注意压电薄膜粘贴在铜片上时,要保持铜片干净。
图6所示为防静电薄膜。在传感器带安装到管道上之前,需要在管道上包裹一层防静电薄膜,它主要起到绝缘作用,同时能让传感器带与管道尽可能光滑地接触在一起。管道不光滑会导致传感器带不能与管道充分接触,甚至会破坏传感器带。防静电薄膜的材料是一般的聚氯乙烯或聚乙烯材料。
随着我国经济发展转变,人力资源成本的不断增加以及新技术的不断涌现,大型工业企业要求生产设备的自动化、智能化程度越来越高,作为具有国际先进水平的流体介质的计量设备,声呐流量计将填补国内高端检测仪表领域的空白,促进声呐检测关键技术国产化和产业化的实现,带动工业声呐检测技术的推广及应用,促进国内高端流量仪表检测行业的迅猛发展。同时,声呐流量计属于流量计市场的高端产品,在流量检测精确度和可靠性方面具有常规流量计所不具有的专有技术优势,可广泛应用于冶金矿山、石油、天然气、油砂加工、发电、化工、纸浆及造纸、供水及废水处理等行业,其市场应用前景广阔。
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