[发明专利]民用超声波燃气表

说明书

本发明公开一种民用超声波燃气表，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。数据处理和控制通信单元调节超声波发射/接收切换单元的开关切换，时间测量单元的发射/接收通道经超声波激励/接收单元、分别接入换能器一体化结构单元的发射&接收两用换能器。n形测管集成换能器的一体化结构，其测管水平段长度相当管径，克服了超声波传播路径短、安装角非90⁰的缺陷；根据实测温度修正超声波传播速度，压缩时间接收窗口，提高了抗扰能力和测量精度；立足微电子IC成果，设计超声波发射/接收切换电路和阈值过零检测电路，电路简单可靠。

技术领域

本发明属燃气流量检测的技术范畴；特别是指基于时差法超声波流量检测技术的民用燃气表。

背景技术

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，治理环境污染的有力举措。

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)。

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，IS0发布IS0/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长的路要走。

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

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。