管道用流量传感器

一、燃气表行业背景分析近年来，我国加快推进“煤改气”工程建设，天然气已经成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下，燃气计量行业将迎来巨大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优点，在我国城市燃气发展中得到广泛应用，随着计算机和微电子技术的发展，膜式表也逐步实现了智能化，目前在燃气计量行业仍然占据着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压力等客观因素的影响，导致测量精度降低。热式（MEMS）燃气表是利用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具，采用全电子结构，无机械运转部件，体积小、精度高。虽然可以针对特定天然气组分进行修正，但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响，温度的影响修正也相对复杂，同时长期的污染物沉积使得MEMS芯片响应变慢影响精度，使得其应用受到限制。超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结合更多的智能化应用等优势，引起国内外的高度重视，是近年来燃气计量领域的开发热点。 二、超声波燃气表的研究与应用现状其实早在上世纪九十年代，英国、德国等国的多家燃气公司已陆续开发了超声波燃气表。受当时超声波探头、计时芯片、电子技术等的因素限制，价格还是非常高昂，无法与传统膜式燃气表竞争。进入二十世纪后，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前国际上的超声波燃气表技术主要来源于松下、西门子等公司，他们在超声波领域深耕多年，从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机，都有着诸多专利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，也就是购买松下的电路板和超声波探测器，自己配套外壳组装成超声波燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本建立，因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声波气体流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。 三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口，价格占总成本的40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性，既要保证较长的测试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比，还需要考虑不同温度下的测试漂移。 （2）燃气表的性能和稳定性问题。超声波燃气表由于无机械部件，理论上稳定性较传统膜式表要高很多，但膜式表在国内多年的使用中，已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波燃气表如何在稳定性上达到燃气表公司的需求，打消燃气表公司的顾虑，是超声波燃气表迈向市场化的非常重要的一关。（3）气体污染问题。与膜式燃气表一样，由于超声波燃气表的常年运行，燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上，影响换能器对信号的接收敏感度，从而影响燃气表测量准确度。（4）气源适应性问题。天然气密度比空气小，信号也较空气小；不同密度的气体通过超声波换能器后，其信号的波形会很不稳定。超声波信号传输会受传播介质、环境（温度、湿度、压力）以及管道内反射等各种因素影响，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化。因此，家用波燃气表要想进入家庭，并广泛使用，对气源的适应性是需要克服的最重要一关。 四、超声波燃气表用气体流量传感器技术特点四方光电公司自2008年开展对超声波气体传感器的研究以来，通过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分同时感知等领域取得突破，特别是在超声波氧气流量传感器、超声波沼气流量计等领域实现了规模化生产应用，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，开发成功满足超声波燃气表用的超声波气体流量传感器。（1）“L”型流道结构设计。超声波燃气表用超声波气体流量传感器采用“L”型流道设计，包括腔体、进气口、出气口及两个超声波换能器，通过将气室腔体的横截面设置为圆形，将超声波信号在第一个换能器安装孔和第二换能器安装孔之间的传播路径设置为“L”型流道，如图1所示。 图1. 燃气表用超声波气体流量传感器结构原理图传统超声波燃气表气体流量计量气室的“W”型发射流道，“V”型对射单通单流道以及“N”型对射单通单流道，都是通过超声波在流道内产生一次或多次反射而形成的路径以增加超声波声程，间接增大了换能器的有效距离，从而获得更高测量精度。但其缺点是通过反射后探测器信号较弱，信噪比降低，对换能器的要求很高。因此造成成本也较高。采用“L”型流道、圆形横截面的超声波燃气模块，克服了现有超声波燃气表气体流量计量气室管道的横截面积较大，气室体积较大，成本较高的问题，以及两个超声波换能器之间传播距离较短，降低测量结果准确性的问题。同时，还避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果准确性的问题。（2）用双阈值过零检测与数据选择技术。以时差法超声波气体流量计为基础，采用双阈值过零检测与数据选择算法技术，区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。（3）自动调零算法。燃气表在温度、压力等外部因素变化条件下，对超声信号产生一定的影响，从而影响计量的时间差；此产生的时间差变化，可能只有ns级别，对高端流量几乎没影响；但对于低端流量，特别是Qmin，影响非常大，造成测量精度超过标准要求。另外，燃气表在无流量情况下的零点，可能受到超声波换能器零点的漂移影响，产生整体计量的漂移，对低端流量造成较大的影响，这是低端流量精度和稳定性超标最重要的原因。针对超声波换能器的零点漂移问题，在软件算法上，采用自动调零的处理算法，超声波燃气表采用可调整的零点，并根据超声波换能器的信号波动特点，软件上自动调整超声波燃气表的零点，保证在外部因素或内部因素作用下，超声波燃气表的零点随环境变化而适当做出调整，抵消由于零点漂移对低端流量产生的影响；同时，考虑电路整体对时间差值的影响，在软件算法上，补偿此部分对测量的影响。 五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用基于专利的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电公司针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图2：图2. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图3是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。 图3. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。 图4. G4超声波燃气表典型误差曲线 图5. G4超声波燃气表耐久性误差曲线由于我国超声波燃气表的国家标准还处于征求意见稿阶段，因此借鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试。除以上图示的基本试验，还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。作者简介熊友辉博士，教授级高工。中国科协九大代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。主持过科技部重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家和省市科技项目。现任武汉四方光电科技有限公司总经理。 公司简介武汉四方光电科技有限公司是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家高新技术企业，其全资子公司——四方仪器自控系统有限公司，以自主知识产权的核心传感器技术为依托，陆续推出了红外/紫外烟气分析仪、红外煤气分析仪、红外天然气热值仪、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并先后研制了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等燃气流量测量产品。四方光电通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有关质量、环境、健康安全、汽车电子等体系认证，目前已与多家世界五百强企业建立长期配套合作关系。

风速是天气监测中重要因素之一，用来测量风速的传感器被称为风速传感器，如我们常见的杯式风速传感器，超声波风速传感器，但有一种风速传感器虽不常见但应用广泛，这就是管道风速变送器。以前通风管道风压、风速、风量测定方法一、测定位置和测定点(一)测定位置的选择通风管道内风速及风量的测定，是通过测量压力换算得到。测得管道中气体的真实压力值，除了正确使用测压仪器外，合理选择测量断面、减少气流扰动对测量结果的影响很大。测量断面应尽量选择在气流平稳的直管段上。测量断面设在弯头、三通等异形部件前面(相对气流流动方向)时，距这些部件的距离应大于2倍管道直径。当测量断面设在上述部件后面时，距这些部件的距离应大于4～5倍管道直径。当测试现场难于满足要求时，为减少误差可适当增加测点。但是，测量断面位置距异形部件的最小距离至少是管道直径的1.5倍。测定动压时如发现任何一个测点出现零值或负值，表明气流不稳定，该断面不宜作为测定断面。如果气流方向偏出风管中心线15°以上，该断面也不宜作测量断面(检查方法：毕托管端部正对气流方向，慢慢摆动毕托管，使动压值大，这时毕托管与风管外壁垂线的夹角即为气流方向与风管中心线的偏离角)。选择测量断面，还应考虑测定操作的方便和安全。(二)测试孔和测定点由于速度分布的不均匀性，压力分布也是不均匀的。因此，必须在同一断面上多点测量，然后求出该断面的平均值。1圆形风道在同一断面设置两个彼此垂直的测孔，并将管道断面分成一定数量的等面积同心环，对于圆形风道，测点越多，测量精度越高。2矩形风道可将风道断面划分为若干等面积的小矩形，测点布置在每个小矩形的中心，小矩形每边的长度为200mm左右，圆风管测点与管壁距离系数(以管径为基数)。二、风道内压力的测定(一)原理测量风道中气体的压力应在气流比较平稳的管段进行。测试中需测定气体的静压、动压和全压。测气体全压的孔口应迎着风道中气流的方向，测静压的孔口应垂直于气流的方向。用U形压力计测全压和静压时，另一端应与大气相通(用倾斜微压计在正压管段测压时，管的一端应与大气相通，在负压管段测压时，容器开口端应与大气相通)。因此压力计上读出的压力，实际上是风道内气体压力与大气压力之间的压差(即气体相对压力)。大气压力一般用大气压力表测定。由于全压等于动压与静压的代数和，可只测其中两个值，另一值通过计算求得。(二)测定仪器气体压力(静压、动压和全压)的测量通常是用插入风道中的测压管将压力信号取出，在与之连接的压力计上读出，常用的仪器有毕托管和压力计。1 毕托管(1)标准毕托管它是一个弯成90°的双层同心圆管，其开口端同内管相通，用来测定全压；在靠近管头的外壁上开有一圈小孔，用来测定静压，按标准尺寸加工的毕托管校正系数近似等于1。标准毕托管测孔很小，易被风道内粉尘堵塞，因此这种毕托管只适用于比较清洁的管道中测定。(2)S型毕托管它是由两根相同的金属管并联组成，测量时有方向相反的两个开口，测定时，面向气流的开口测得的相当于全压，背向气流的开口测得的相当于静压。由于测头对气流的影响，测得的压力与实际值有较大误差，特别是静压。因此，S型毕托管在使用前须用标准毕托管进行校正，S型毕托管的动压校正系数一般在0.82～0.85之间。S型毕托管测孔较大，不易被风道内粉尘堵塞，这种毕托管在含尘污染源监测中得到广泛应用。2.压力计(1)U形压力计由U形玻璃管制成，其中测压液体视被测压力范围选用水、酒精或汞，U形压力计不适于测量微小压力。压力值由液柱高差读得换算，p值按下式计算：p=ρgh (Pa) (2.8－1)式中p—压力，Pa；h—液柱差，mm；ρ—液体密度，g/cm3；g—重力加速度，m/s2。(2)倾斜式微压计测压时，将微压计容器开口与测定系统中压力较高的一端相连，斜管与系统中压力较低的一端相连，作用于两个液面上的压力差，使液柱沿斜管上升，压力p按下式计算：p=KL(Pa)(2.8－2)式中L—斜管内液柱长度，mm；K—斜管系数，由仪器斜角刻度读得。测压液体密度，常用密度为0.1g/cm3的乙醇。当采用其他密度的液体时，需进行密度修正。(三)测定方法1.试前，将仪器调整水平，检查液柱有无气泡，并将液面调至零点，然后根据测定内容用橡皮管将测压管与压力计连接。毕托管与U形压力计测量烟气全压、静压、动压的连接方法。2测压时，毕托管的管嘴要对准气流流动方向，其偏差不大于5°，每次测定反复三次，取平均值。三、管道内风速测定常用的测定管道内风速的方法分为间接式和直读式两类。(一)间接式先测得管内某点动压pd，可以计算出该点的流速v。用各点测得的动压取均方根，可以计算出该截面的平均流速vp。式中pd—动压值，pdi断面上各测点动压值，Pa；vp—平均流速是断面上各测点流速的平均值。此法虽较繁琐，由于精度高，在通风系统测试中得到广泛应用。(二)直读式常用的直读式测速仪是热球式热电风速仪，这种仪器的传感器是一球形测头，其中为镍铬丝弹簧圈，用低熔点的玻璃将其包成球状。弹簧圈内有一对镍铬—康铜热电偶，用以测量球体的温升程度。测头用电加热。由于测头的加热量集中在球部，只需较小的加热电流(约30mA)就能达到要求的温升。测头的温升会受到周围空气流速的影响，根据温升的大小，即可测出气流的速度。仪器的测量部分采用电子放大线路和运算放大器，并用数字显示测量结果。测量的范围为0.05～19.0m/s(必要时可扩大至40m/s)。仪器中还设有P－N结温度测头，可以在测量风速的同时，测定气流的温度。这种仪器适用于气流稳定输送清洁空气，流速小于4m/s的场合。管道风速传感器测量风速、风量我们可以通过风速（V）算出风量（L）的大小，如1小时内通过风量的计算公式为L=F*V*3600秒，公式中：F——风口通风面积（m2），V——测得的风口平均风速（m/s）。通过配置软件设置风更方便我们的使用，将地址及波特率设置好，将管道截面积添加好之后，软件会自动计算出风速值和风量值。广泛应用在油烟管道、通风管道、暖通空调进出风口等地方来测量风速和风量。

p style="line-height: 1.75em "　 国内科研人员成功研发基于石墨稀材料的大量程、高精度的流量、温度传感器，有望在热力系统进行规模应用。/pp style="line-height: 1.75em text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201604/insimg/3e7bf569-3c52-4b91-b4b2-dd53a82c552f.jpg" title="20160407151516449.jpg"/　　/pp style="line-height: 1.75em text-align: center "清华大学 朱宏伟/pp style="line-height: 1.75em "　　近日，清华大学朱宏伟教授团队和北京华大智宝电子系统有限公司合作开发出石墨烯温度流量一体化传感器件。他们针对热力系统检测用流量、温度传感器的应用需求，通过对石墨烯传感的作用与规律研究，突破石墨烯材料在热量表流量计应用的关键技术，开发热力系统检测用石墨烯流量、温度传感器件，解决了现有传感器表面结垢、功耗高等问题，形成了批量制备能力，有望在热力系统进行规模应用。/pp style="line-height: 1.75em "　　该团队完成了石墨烯晶片形状、尺寸、表/界面状态对传感性能调制研究，通过基于石墨稀材料的传感工艺结构设计，开发了大量程、高精度的流量、温度传感器。流量传感器元件测量范围达到0.01~6m3/h，测量精度达到0.005m3/h 温度传感器元件测量范围达到0~100℃，测量精度达到0.02℃。/pp style="line-height: 1.75em "　　在石墨烯流量、温度传感材料基础上，同时开展了两项拓展研究：1)提出了一种实现高灵敏柔性应变传感的新思路，通过石墨烯与超弹超薄高分子材料复合构建了一类基于柔性传感器原型器件，开发了面向可穿戴装备的传感器的制造方法和工艺，在应变、压阻、扭转、挥发性有机物、声波等几个典型传感应用上进行了探索，并可探测脉搏、语音等微弱生理信号，有望应用于移动医疗、可穿戴式设备等领域 2)研究了水在石墨烯层片孔中的扩散特性，开发了一种同位素标记法，揭示了水分子在石墨烯中的扩散系数比微孔滤膜中微米尺寸通道的扩散系数高4~5个数量级，证明了水分子可超快速传输，为基于石墨烯的传质特性研究奠定了基础，并在快速过滤与分离领域展现出广阔的应用前景。/pp style="line-height: 1.75em "　　相关研发成果已发表SCI收录论文15篇，申请国家发明专利5项，获授权实用新型专利1项。所制备的六种传感器发表在ACSNano、Adv.Funct.Mater.、Small、NanoRes.、Appl.Phys.Lett.、Chem.Commun.等期刊上，并被学术媒体Nanowerk、Graphene-Info和MaterialsViewsWiley做为研究亮点报道，被评价为“…全新的传感机制、石墨烯的高性能应用…”，“石墨烯的机电效应结合其它特性…促进了在高灵敏传感中的应用，…这些传感器的潜在用途包括柔性显示、智能服装、电子皮肤、体外诊断等，在可穿戴健康检测类设备上有较大的应用空间”。/ppbr//p