丹東思凱電子發(fā)展有限責(zé)任公司 蘭玉明
隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和“西氣東輸”工程的進(jìn)展， 燃?xì)猓ㄌ烊粴?、液化氣）的?yīng)用會(huì)越來越普及。為了環(huán)保，北京，上海等城市已經(jīng)開始在市內(nèi)取消燃煤鍋爐，一律改造為燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t的推廣使用，使燃?xì)獗硇枨罅吭絹碓酱蟆４罅髁康墓I(yè)燃?xì)庥脩舯淼男枨笫欠浅？春玫?，隨著燃?xì)馐褂玫钠占?，每?0萬塊的市場需求量是可以作為參考的。超聲波燃?xì)獗硪约俺暡ㄋ碓谧≌眯×髁咳細(xì)獗砩系耐茝V應(yīng)用更加有著巨大的市場前景。作為能源計(jì)量儀器儀表的燃?xì)獗?、水表，采用超聲波表取代機(jī)械表，將在節(jié)能方面產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。以DN200水表為例，超聲波水表的始動(dòng)流量僅為0.6m3/h，而機(jī)械水表始動(dòng)流量約2m3/h，相差達(dá)1.4 m3/h，若每天有5小時(shí)流量小于2m3/h，每年供水企業(yè)計(jì)量損失可達(dá)2555m3，按3元/ m3水價(jià)計(jì)算，供水企業(yè)每只水表每年損失可達(dá)7665元。超聲波流量表在差壓損失方便也有極好的節(jié)能效果，機(jī)械式水表工作在常流速1m/s時(shí)產(chǎn)生壓力損失約0.07MPa，而超聲波表壓力損失幾乎為0，可以估算，每只超聲波水表每年可為供水公司的供水泵節(jié)電13547度，按電價(jià)0.45元/度計(jì)算，每年每只表可節(jié)省6056元。應(yīng)該指出，超聲波流量計(jì)成本要高于普通儀表，但使用壽命長、計(jì)量精度高、生產(chǎn)效率提高，總體上還是經(jīng)濟(jì)合算的。這正是各國大力發(fā)展超聲波流量表的動(dòng)力所在。我國的超聲波流量計(jì)絕大多數(shù)還在依賴進(jìn)口，隨著對超聲波燃?xì)獗怼⑺淼娜找嬖鲩L的需求，加快對超聲波流量計(jì)的研發(fā)和批量生產(chǎn)工作已迫在眉睫。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，為燃?xì)饬髁坑?jì)帶來革命性的進(jìn)步，在儀表結(jié)構(gòu)上從機(jī)械式到電子式，在應(yīng)用上從普通型到智能型，測量方法上從差壓式、容積式到速度式、質(zhì)量式。二十世紀(jì)六、七十年代，人們發(fā)明了超聲波流量計(jì)。九十年代末期，超聲測量技術(shù)有了極大的提高，在國際上出現(xiàn)了量程寬、精度高、微功耗、商品化的超聲波燃?xì)獗?。進(jìn)入二十一世紀(jì)，超聲波流量計(jì)以其自身的優(yōu)點(diǎn)得到迅猛的發(fā)展，成為流量計(jì)量的首選儀表。超聲波流量計(jì)與過去的計(jì)量器具相比，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，是一個(gè)電子產(chǎn)品，具有體積小、無壓損、精度高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品使用壽命長等明顯優(yōu)勢。
二十世紀(jì)九十年代末期，國際上只有少數(shù)幾個(gè)國家掌握超聲波燃?xì)獗?、水表技術(shù)并達(dá)到應(yīng)用水平，如世界著名的德國西門子公司、英國伊文森公司、德國埃因斯特公司等。目前，商品化的超聲波燃?xì)獗硪殉晒Φ膽?yīng)用于貿(mào)易輸送計(jì)量、地下儲(chǔ)氣庫計(jì)量、壓縮天然氣、氣體處理廠、調(diào)壓站等天然氣領(lǐng)域，超聲波水表已可安全替代其他類型水表。此外，日本正逐步實(shí)現(xiàn)超聲波燃?xì)獗淼拿裼没?/FONT>
目前我國在管網(wǎng)工程上使用的超聲波燃?xì)獗恚矶际菑纳鲜鰢疫M(jìn)口，價(jià)格從幾萬～幾十萬元不等。國內(nèi)在超聲波燃?xì)獗矸矫娴膽?yīng)用型研究處于起步階段，同濟(jì)大學(xué)等企業(yè)完成了大流量計(jì)量產(chǎn)品樣機(jī)，而中小口徑由于難度目前仍是空白。
相對而言，國產(chǎn)超聲波水表研究較為成熟，已開始批量生產(chǎn)并投入使用。超聲波水表性能優(yōu)良，但仍存在一些有待改進(jìn)之處，在溫度補(bǔ)償、抗干擾性、低功耗等方面對超聲波水表做進(jìn)一步的提高，才能使之得到普及應(yīng)用并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)市場需求情況和技術(shù)的難易程度，首先研制目前國內(nèi)全部依賴進(jìn)口的口徑50mm—120mm，流量范圍6-400m3/h的工業(yè)用超聲波氣體流量計(jì)。以掌握的國外生產(chǎn)的超聲波燃?xì)獗硪约八頌闃颖?，重點(diǎn)研發(fā)目前純粹依賴進(jìn)口的6～400m3/h的工業(yè)大流量燃?xì)獗?、以及超聲波水表的開發(fā)，在流量計(jì)量行業(yè)建立起來的銷售網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行市場推廣。
該產(chǎn)品中在流量檢測中采用了超聲計(jì)量原理。超聲計(jì)量原理是通過超聲換能傳感器，測量出在超聲波在被測量介質(zhì)管道內(nèi)傳播的速度，從而計(jì)算出介質(zhì)流動(dòng)的速度，再根據(jù)管道截面積，最后計(jì)算出介質(zhì)的流量。
該產(chǎn)品主要精度指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但在可靠功耗，壽命方面與國外同類產(chǎn)品仍有差距，需解決的主要技術(shù)難點(diǎn)有：
1）、高靈敏度、高效率，穩(wěn)定性滿足連續(xù)工作6年的超聲波傳感器。目前該傳感器已研制成功，靈敏度、效率可以滿足要求，但穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。
2）、數(shù)學(xué)模型的建立。由于不同流量下的某種氣體其流體特性有很大差異，因而數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)及不同流量下的參數(shù)確定需要做大量的實(shí)驗(yàn)工作。
技術(shù)關(guān)鍵有：
1）超聲波傳感器；
傳感器的性能是產(chǎn)品的質(zhì)量基礎(chǔ)，對市場上多種型號傳感器的了解、選用十分重要。超聲波在燃?xì)夂退械念l率不同，需針對被測介質(zhì)合理選擇超聲波傳感器。并進(jìn)一步研究其在介質(zhì)管道中的耐腐蝕、耐震動(dòng)和高可靠性技術(shù)，以及溫度、壓力補(bǔ)償技術(shù)。高靈敏度、高效率穩(wěn)定性滿足連續(xù)工作6年的超聲波傳感器，目前該傳感器已研發(fā)成功，靈敏度、效率等可以滿足要求，但穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。
2）超聲計(jì)量數(shù)學(xué)模型的建立；
超聲波流量計(jì)的流量計(jì)量是通過測量速度計(jì)算出來的，因而，數(shù)學(xué)模型的建立與合理使用至關(guān)重要。在不同流速下流下不同的流場及變化及校正的研究，包括對納秒級時(shí)差的精確測量，以及根據(jù)管道流速分布修正測量模型。由于不同流量下的不同氣體其流體特性有很大差異，因而數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)及不同流量下參數(shù)的確定需大量的試驗(yàn)工作。
3）低功耗設(shè)計(jì)。
超聲波燃?xì)獗懋a(chǎn)品計(jì)劃采用池供電，要減小維護(hù)費(fèi)用，功耗指標(biāo)非常重要；超聲聲波水表由于工作頻率高，功耗較大，也需降低工作功耗。因?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計(jì)及其關(guān)鍵，國外公司無一例外的應(yīng)用了專用集成電路滿足其極其苛刻的功耗要求。要滿足功耗要求就必須使用專用集成電路，因而專用集成電路的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。
產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)：
●供電方式：燃?xì)獗碛娩囯姵毓╇?，電壓范圍?～3.6V；水表AC 220V或DC 8~24V供電。
●功耗指標(biāo)：燃?xì)獗盱o態(tài)功耗電流＜30μA，電池使用壽命一年以上；水表電流4~20mA，功耗小于2W。
●測量范圍：燃?xì)獗砹髁?5～100m3/h；水表流速范圍0~32m/s。量程比：1:20。
●計(jì)量精度：
燃?xì)獗恚篞min ≤ Q＜0.2Qmax ±3%測量值
0.2Qmax ≤ Q ≤ Qmax ±2%測量值
符合國家燃?xì)獗順?biāo)準(zhǔn)。
水表精度：1.0%。
超聲波燃?xì)獗碛闪髁坑?jì)表體（管道及表殼）、兩對超聲波探頭、以及電路系統(tǒng)組成，表體由內(nèi)嵌超聲波探頭的燃?xì)夤艿酪约鞍卜烹娐凡糠值谋須刹糠謽?gòu)成的一體化結(jié)構(gòu)，采用鋁合金壓鑄。采用PRO-E等三維設(shè)計(jì)軟件對表體進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括管道長度，超聲波探頭的位置、角度以及具體的嵌入方案，溫度、壓力補(bǔ)償傳感器接口，表殼面板設(shè)計(jì)等。
采用4只超聲波探頭，其中，1、2構(gòu)成相互收發(fā)的一組探頭，3、4構(gòu)成相互收發(fā)的另一組探頭。超聲波探頭采用常用的圓片式的PZT壓電陶瓷換能器，利用其厚度振動(dòng)模式向氣體發(fā)射和從氣體接收超聲波信號。針對現(xiàn)有探頭存在的問題，結(jié)合有限元仿真以及實(shí)際測量的結(jié)果，調(diào)整匹配層材料的聲阻抗和均勻性，優(yōu)化探頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到提高探頭靈敏度、一致性、和頻率穩(wěn)定性的目的。
硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)、CPLD、時(shí)鐘電路、ADC、RAM等。單片機(jī)和CPLD實(shí)現(xiàn)主要的控制和信號處理功能。超聲波脈沖觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)對超聲波換能器的觸發(fā)功能。超聲波換能器把電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中。超聲波脈沖接收電路實(shí)現(xiàn)對超聲波信號的接收和放大等功能。接收到的信號首先通過比較電路，當(dāng)信號的幅值超過閾值時(shí)，CPLD啟動(dòng)高速ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后CPLD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到時(shí)間差信息和流速信息。為了提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，CPLD還需對信號進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。開關(guān)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對超聲波聲道的切換。單片機(jī)還將實(shí)現(xiàn)鍵盤操作、流量顯示、和數(shù)據(jù)通訊等功能。在各部分軟硬件設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測量的前提下，盡量采用低功耗設(shè)計(jì)。
超聲波水表采用一對用于水介質(zhì)的超聲波探頭，分別相對安裝在管道上游和下游，可安裝在水管外部進(jìn)行非接觸式測量，。設(shè)計(jì)中注重電路的低功耗和抗干擾性。電路部分由信號發(fā)射與接收電路、 儀表放大電路、可調(diào)增益放大電路、濾波電路和電壓比較電路組成。儀表放大器為第一級放大，把接收到的兩路信號合成一路。由于被測的管徑大小不一，造成超聲波信號的傳輸路徑長短不一，信號的衰減程度不同，超聲波探頭所接收到的信號強(qiáng)度會(huì)有所不同。因此設(shè)計(jì)程控放大器，將前級傳輸來的強(qiáng)弱不同的信號進(jìn)行放大，使后級得到幅值大小基本相同的電壓信號，便于測量比較。經(jīng)放大后的信號里帶有許多頻率不同的干擾信號，必須將其濾除，此處設(shè)計(jì)了中心頻率約910KHz的帶通濾波器。經(jīng)濾波和放大后的信號，再經(jīng)電壓比較以確定超聲波信號到達(dá)的時(shí)間，電壓比較器會(huì)向CPLD發(fā)出信號，由CPLD停止計(jì)數(shù)，并發(fā)出信號由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
目前，全國每年的工業(yè)大流量燃?xì)獗淼挠昧吭?0萬塊以上、大流量水表在40萬塊以上，已市場總量的20％安裝超聲波計(jì)算，市場需求量為12000臺(tái)，價(jià)值6000萬元。
該產(chǎn)品是對傳統(tǒng)計(jì)量儀表的更新?lián)Q代，具有體積小（只用皮膜式表體積的二十分之一）、精度高，制造、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，提高的生產(chǎn)效率，為生產(chǎn)廠商、使用單位創(chuàng)造的間接的經(jīng)濟(jì)效益。由于計(jì)量精度的提高，可為用戶帶來直接可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)可以取代進(jìn)口，有利于民族工業(yè)的發(fā)展。同類產(chǎn)品的價(jià)格要低于進(jìn)口，降低了用戶的使用成本。項(xiàng)目成果可應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)獗?、工業(yè)水表，實(shí)現(xiàn)從供應(yīng)公司到商業(yè)和居民市場之間的多個(gè)環(huán)節(jié)的流量計(jì)量。
該產(chǎn)品是一個(gè)電子產(chǎn)品、嵌入式軟件項(xiàng)目，沒有污染產(chǎn)生，不會(huì)對環(huán)境造成影響，影響符合市場需求、有利于技術(shù)進(jìn)步，可產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。
