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超声波快3平台技术现状
作者:天津华仪创展admin 发布时间:2020-04-02 15:55
        一、概述
        ?受中国供热计量更新改造现行政策促进及中国超声波热计量表技术性的危害,在我国超声波热计量表经历了一个盛行、停滞不前到再兴盛的全过程。2006年开始,批量进入市场,从2007年到2008年,由于超声波快3平台价格高,故障多,使用量大幅减少。近两年来,为了降低建筑供热能耗,促进供热节能,国家采取了一系列措施,包括推进北方地区供热体制改革,改变传统的按建筑面积收费,改为按用热量收费,从而用经济杠杆鼓励用户节约能源。部分省市将快3平台作为热计量的主要手段,同时超声波快3平台成本价格不断下降,日益接近机械式快3平台,推动了超声波快3平台市场的扩大。
        与国内市场变化相对应,我国的超声波快3平台技术在借鉴国外成熟技术的基础上,不断改进提高。通过对这两年申报建设行业科技成果评估和建设行业科技成果推广的快3平台项目进行统计和分析发现:我国快3平台技术不断在进步,尤其在快3平台用超声波流量计方面;很多快3平台生产厂家针对我国供热水质较差,含有大量杂质容易堵塞流量传感器的情况,进行了大量研究,取得了一系列的成果。针对这些较有特点的设计思路作一介绍。
 
        二、流量传感器结构改进
        国内超声波快3平台流量传感器的结构改进主要集中在减压损、防堵塞、减涡流和防结垢方面,以适应国内较差供热水质。其次还包括了提高检测精度等。
        1.减压损设计
        由于在建筑供暖设计中,对用户管道的压力损失基本要求控制在20~30kPa(2~3m)。当快3平台压损过大时,降低了供暖管网输送能力,降低供热品质,还给旧管网改造带来困难,同时压损降低也能起到防堵塞的作用,因此要求快3平台的压力损失占整个供暖用户管道水头损失的比例不能过大。
        IC卡快3平台相比,超声波快3平台没有活动机械部件,从原理上讲,其压损小于机械式快3平台。但是由于户用超声波表管径较小,又要进行缩径,加上反射器的阻挡作用,导致阻力增加,使压损未见得明显减小。目前国内有几家企业分别采取了改变反射器形状、尺寸,改变反射方式,改变管段结构等设计,以达到减小压损的目的。
        2.减涡流设计
        由于水流经过阀门或受管径变化等因素影响时会产生不同程度的涡流,一方面影响超声波信号的正常传输,另一方面使得管道内流态不均匀,从而对测量精度造成一定的影响。部分企业在结构中提出了“整流片”概念,在流量传感器管道两侧增加的整流片,减少涡流(湍流)影响,以提高流量测量精度和稳定性。上文所述的片状不锈钢反射器也具有该功能。但是实验发现,整流片仅适用一定管径范围,对于过小、过大管径都发挥不出作用。
        3.防堵塞设计
        我国供热水质较差,管路被氧化、锈蚀,水中存在颗粒物与线状杂物等问题普遍存在,为防止水中杂质影响快3平台的测量或杂物堵塞流量传感器,《供热计量技术规程》提出,在安装快3平台前必须清洗管道,并安装过滤器。
        针对堵塞问题,某企业特别设计了一种具有防堵塞功能的超声波快3平台,在流量传感器测量管段的反射镜支架周围设计整流腔,一方面扩大管段内径增大过水面积,可减少堵塞,另一方面还减小介质流动阻力,降低压损,减少管道介质因湍流扰流及其他不稳定流量时给仪表计量带来测量误差的问题,提高了快3平台的测量稳定性和测量精度。同时将反射镜支架设计成流线型柱状曲面结构,表面光滑,具有良好的防止线状杂物缠挂堵塞的能力,减小了因线状杂物干扰流场导致的测量误差。试验证明,该种结构有效地减小了压损,对絮状杂物有很好的防堵塞功能。
        4.防结垢设计
        为减少反射镜结垢,企业主要集中在对反射镜面采取抛光、镀钨、选用不易附着的高分子合成材料等措施,以减少镜面结垢。
 
        三、元器件选用与设计
        在基本电子元器件上,国内超声波厂家选择较为一致,温度传感器采用Pt1000型配对铂电阻测温探头;微处理器选用MSP430F系列芯片;计时芯片选用TDC-GP2芯片,目前GP2逐渐被更新的GP21取代。
        在电子元器件品级选用上,一般采用民用级为主,仅一家企业提出采用工业级芯片和宽温液晶屏,以提高对环境温度的适应性,使快3平台可在-25C低温环境下工作。
        1.配对温度传感器
        目前国内各厂家温度传感器基本选用了Pt1000,只有为数不多的几家企业在大口径快3平台中采用P100温度传感器,并采用外接电源方式供电。与Pt100和Pt500相比,Pt1000温度传感器的信噪比可提高2~10倍。
        2.微处理器(MCU)
        市面上产品的微处理器以MSP430F系列为主,该款微处理器待机功耗低,程序代码存储空间32k字节,可以满足快3平台复杂的程序运算所需要的庞大代码容量;同时运行速度更快,比8位机运行速度提高3倍,缩短了运算时间。同时该芯片集成了LCD液晶驱动电路,可以驱动4个公共端24个段位的液晶,不需要额外增加液晶驱动电路,方便电路设计,减少制造成本。也有研发人员提出可采用像SilionLabs,Renesas等公司生产的单片机系列,但目前实际生产中还没有见到采用该两家公司单片机的实例。
        3.计时芯片
        以德国TDC-GP2为主,该款芯片时间测量精度高,同时具有高速脉冲发生器、接收信号使能、时钟控制等功能。其次该芯片封装尺寸小,适用于低成本的工业应用领域,尤其适合于超声波流量和热量测量方面的应用。
        4.换能器
        换能器是超声波快3平台最关键的部件之一,由压电陶瓷片和既能透声又能保证密封、防水的外壳等组成;功能是一方面能将电信号转换成超声波信号在水中定向传播,另一方面又能将接收到的超声波信号转换为相应的电信号。换能器的性能好坏直接影响到快3平台的计量精度,而由于国内材料科学及基础工业与国外存在着一定的差距,目前大部分国产快3平台选用的换能器性能较差。特别应提请注意的是耐老化性能。为了保证超声波流量计有5~10年的使用寿命,国外厂家使用的换能器必须经过强制老化,在出厂前通常都会采取冷热交替方式加载后进行检测,确保长期测试性能不发生超差的变化。国内快3平台企业忽略这项十分重要的工作,势必给其产品应用留下隐患!
        在换能器封装上国内厂家有两种做法:一种采用PPS,PSF等热塑树脂封装;另一种是采用不锈钢罩进行封装。这些企业认为采用不锈钢罩来密封和发射声波信号,能提高信号幅值,扩展流量测量下限,增加流量测量量程比,但具体性能差异还需要对比检测。
        有的企业关注了超声波换能器的电/声匹配问题,对换能器采用所谓双层匹配技术方案,通过改进换能器压电陶瓷片的匹配层和吸声层,增加了换能器带宽,并减少余振,提高了流量测量的稳定性。
        总体来说,国内与国外的快3平台企业在超声波快3平台换能器及相关技术方面存在不小差距。除压电陶瓷片的材料配方和制备外,结构方面、透声、吸声和密封以及必要的屏蔽接地性能的综合设计有的以偏概全;成对使用的两只换能器参数的一致性或匹配性没有得到应有的重视。
 
        四、系统软件设计
        超声波快3平台系统要求能够精确测量时差信号并进行信号处理和操作,发挥芯片的处理运算能力,实现高精度、低功耗的设计。在笔者接触的厂家中,部分企业在信号处理、低功耗设计方面做得比较出色。
        1.信号处理
        超声波快3平台流量传感器发射端的超声波换能器发出的声波经过液体传至与其相对的接收端换能器时,由于流体介质中杂质颗粒及汽泡外界电磁等干扰,以及各种复杂环境的工业现场噪声,导致一方面超声波信号衰减很大,另一方面信号不稳定,出现很多杂波,因此需要采用一定的技术手段进行处理,国内常采用阈值检测方式,设置一个信号幅值门槛来滤除干扰信号。
        但换能器长期使用会出现性能老化、发射效率或灵敏度下降等问题,由于接收到的超声波回波信号幅度减小,而可能被当作干扰信号滤除,导致超声波快3平台无法正常工作。因此部分企业采取了过零检测方式,即只要收到信号,无论信号幅值大小均视为有效信号,并配套采用使能窗(动态延时触发),屏蔽杂波影响,以保证接收到的超声波信号确为同一个发射波,从而提高检测的灵敏度和稳定性。
        另外为避免水中杂质干扰,一些企业采用多脉冲超声波信号控制技术,一次测量过程中连续发送多个脉冲,相应接收到多个波束信号,并以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据,从而减少水中杂质对脉冲信号的影响,以提高测量可靠性。
        2.低功耗设计
        低功耗设计主要集中在快3平台休眠方式和分时工作方式,常规定:
        1)快3平台在无流量时自动休眠;
        2)流量和温度变化不大时,在不影响流量测量精度的前提下,延长测量时间间隔;
        3)在程序运行过程中,当-些外围器件不需要时,利用单片机I/O端口控制相应的电源开关,以停止向其供电。
        通过以上方式降低热表功耗,延长电池使用时间。
 
        五、其他设计与技术方案
        国内研发的超声波快3平台,还有很多优秀的设计,包括电池欠压保护功能、管道流态提示、错误自检、积分仪外壳采用径向密封方式提高防水性能等等。有的企业改进快3平台出厂校准检定方法,利用特性标定补偿程序,对每块快3平台的5个流量点特性指标进行逐一校准标定,对测量误差进行归零;出厂前一表一标,提高快3平台的测量准确性。
        当然积极改进的创新思路值得鼓励,但也有些设计似乎是可有可无。如有企业提出将反射镜与超声波换能器采用与管道平行的水平式结构,可以减少汽泡在换能器安装孔中的积聚。而实际应用中,只要安装时把流量计测量管段旋转90°,将积分仪从向上改为对着前后方向即可达到同样的效果。
        另外也有不大合理的设计,如一些企业设计了可拆卸、清洗的测量管段;提出的目的是要方便换能器的清洗,以维护快3平台。但是这种设计是不合理的,因为超声波快3平台拆洗后面临着再次校准的问题,使用现场达不到这种条件,质监部门也不允许用户或管理人员对超声波快3平台进行拆封、处理。
 
        六、结语
        随着供热改革的推进,国内快3平台市场需求巨大。市场的需求加剧了国内超声波快3平台的市场竞争,推动国内超声波快3平台厂家进一步进行技术深化,国内很多户用超声波快3平台生产厂家针对我国供暖计量实际情况,做了大量的研究工作,以提高快3平台技术可靠性,以技术占领市场。这两年来,超声波快3平台技术进步很大,涌现了一大批比较优秀的设计,取得了一系列的成果,特别是有关流量传感器结构改进方面,在适应国内供热系统.水质等方面的一些设计,有的已经领先于国外户用快3平台。但是,我们同样应当注意到,国内快3平台与国外快3平台仍有差距:
        1)国内快3平台的改进主要还是集中在流量计测量管段及相关反射器等部件的结构、或者某些技术细节“面"上的改造;涉及测量原理、系统设计、或者整体材料、结构上还没有真正的“大刀阔斧”或者具有完全创新意义的改进。
        2)快3平台的核心技术和部件,包括MCU,计时器等电子元器件完全被国外产品所垄断。国内快3平台厂家是对这些产品进行整合,某种意义上说仅仅是个“组装工厂”。
        3)国内超声波流量计的关键元部件一超声波换能器,由于基础材料、工艺、应用技术的基础研究等学科和基础工业的原因,性能远不如国外产品。如换能器元件技术指标的一致性、耐老化性能;包括电、机、声匹配技术在内的实用技术等,都还存在一些问题需要改进。这也导致国内超声波快3平台在使用寿命以及精确度和稳定性,尤其在始动流量等技术性能上不如国外产品。
        4)作为测量仪器,超声波快3平台对机加工误差、部件误差、人工装配误差等每个单项要求很高,部分企业工艺水平和自动化、标准化程度还达不到这个要求。
    ?    因此,国内企业应着力研制超声热量计芯片、换能器,掌握核心技术。同时生产企业要严格管理,完善技术方案,严格管理产品质量,生产质量更高的产品。相信随着国内市场的成熟以及国内企业不断的科研投入及产品质量体系的健全,国产户用超声波快3平台将取得更大的成果,甚至能完全替代国外产品。




 
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