专利名称：用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法
技术领域：
本发明涉及一种管道内介质流动状态判定方法，特别是涉及一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法。
背景技术：
超声波燃气表因其较传统膜式燃气表具有计量精度更高、可靠性更好、压力损失更小等优势，已成为城市燃气计量领域的重要发展方向。目前，超声波燃气表普遍采用内置电池供电，一般要求电池使用寿命达到5-6年以上。若超声波燃气表电池耗尽，需要燃气公司或用户及时更换新电池，否则无法继续计量。因此，电池使用寿命向来是超声波燃气表产品的重要性能指标，较长的电池使用寿命可降低整机使用和维护成本。目前，用于延长超声波燃气表电池使用寿命的方法主要有(1)采用更低功耗的电路设计，包括选用低功耗的芯片、选择低电压供电的系统、选择合适的时钟方案等；( 在测量模式方面，超声波燃气表不进行流量测量时，进入低功耗休眠模式，以减少整机耗能时间；C3)在燃气表中增加发电装置，利用管道内的压差驱动发电装置发电以供燃气表使用。然而，对于户用燃气计量而言，存在如下特点大部分时间无流量可测，如住户离家上班时间；短时间内燃气使用频繁，如住户回家做饭期间。这就要求超声波燃气表具有管道内介质流动状态判断的功能，从而实现在无流量可测期间，尽量处于休眠模式，以降低整机功耗；在燃气使用时，处于工作模式，以准确计量流量。为此，传统的方法通过超声波燃气流量测量模块定期测量介质流速，从而定期获得管道内介质的流动状态。这不但大大增加了管道燃气未使用期间的超声波燃气表整机功耗(因需要不时地进入测量模式进行介质流速判定)，而且其响应特性完全取决于定期测速的间隔周期。若间隔较久，虽然功耗降低，但响应较慢，无法在管道燃气阀门打开时及时进行流量计量。若间隔较短，虽然响应变快，但由于频繁进入工作模式，燃气表整机功耗自然增加。因此，目前超声波燃气表急需一种快速、准确的管道内介质流动状态判定方法，从而实现在管道没有介质流动时，使超声波燃气表尽快进入休眠模式，以降低整机功耗；在有介质流动时，使超声波燃气表尽快进入工作模式，以确保计量准确性。此外，现有的超声波燃气表产品通常会定期对零点进行自校正，从而保证测量精度的长期稳定性。进行零点自校正时，超声波燃气表需确保管道内介质处于停滞状态，这也要求超声波燃气表有一种准确的管道内介质流动状态判定功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法， 利用所测压力差及其变化情况判断管道内介质处于流动还是停滞状态。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下在超声波燃气表的入口处安装第一压力传感器，出口处安装第二压力传感器，通过两个压力传感器实时监测超声波燃气表的入口与出口之间的压力差，根据所测压力差及其变化情况判断管道内介质处于流动还是停滞状态。所述的压力差及其变化情况监测方法是基于流体力学中介质流过流阻元件产生的压力差与介质流速的平方成正比的物理现象，当超声波燃气表的入口与出口处的压力差大于预设值时，认为管道中介质处于流动状态；当压力差数值小于预设值时，认为管道中介质处于停滞状态。所述的超声波燃气表为U字型超声波燃气表时，直接利用U字型测量管道作为流阻元件，产生入口与出口之间的压力差。所述的超声波燃气表为直通型超声波燃气表时，在入口和出口间另外设置收缩管段作为流阻元件，用于产生入口和出口之间的压力差。所述的管道内介质流动状态判定的依据是将入口和出口之间的压力差电信号接入信号比较器正端，预设值电信号接入信号比较器负端，当压力差电信号的电压值高于预设值电信号的电压值时，信号比较器输出高电平，当压力差电信号的电压值低于预设值电信号的电压值时，信号比较器输出低电平；将信号比较器输出从低电平向高电平转换的上升沿作为管道内介质开始流动的实时标志；将信号比较器输出从高电平向低电平转换的下降沿作为管道内介质停止流动的实时标志。将信号比较器输出信号接入超声波燃气表中断接口，当超声波燃气表从信号比较器输出端接收到标志介质停止流动的下降沿信号时，通过下降沿中断服务程序停止流量计量，进入待机模式或进入校正模式；当超声波燃气表从信号比较器输出端接收到标志介质开始流动的上升沿信号时，通过上升沿中断服务程序将燃气表从待机模式切换为测量模式，进行流量计量。本发明具有的有益效果是1、为超声波燃气表实现低功耗提供了一种快速、准确的管道内介质流动状态判定方法，从而实现在管道没有介质流动时，使超声波燃气表尽快进入休眠模式，从而使整机功耗得以降低；在有介质流动时，使超声波燃气表尽快进入工作模式，从而保证了管道频繁开关时超声波燃气表响应的快速性，确保了计量的准确性。2、为超声波燃气表进行零点自校正提供了一种快速、准确的管道内介质流动状态判定方法，从而实现当管道内介质停滞时，使超声波燃气表可进行零点自校正，保证测量精度的长期稳定性，同时避免了人工标定的繁琐，降低了维护成本。3、该方法具有高可靠性，可避免由于管道压力波动引起的介质流动状态误判断。 只有当管道中的燃气流动时，两压力传感器之间才会产生压差，控制燃气表进行相应工作状态的转换，否则燃气表不动作，从而有效地防止由于管道压力波动引起的误操作。本发明可以使用在所有要求功耗低、响应快、零点漂移自校正的超声波燃气表应用场合，特别对于户用超声波燃气表，其优越性更加显著。
图1是本发明涉及的U字型超声波燃气表压力差监测示意图。图2是本发明涉及的直通型超声波燃气表压力差监测示意图。图3是本发明涉及的压力差信号与超声波燃气表连接示意图。图4是本发明超声波燃气表工作模式转换机制示意图。
图5是本发明超声波燃气表待机模式工作原理示意图。图6是本发明超声波燃气表测量模式工作原理示意图。图7是本发明超声波燃气表校正模式工作原理示意图。其中1·入口，2.出口，3A.第一压力传感器，3B.第二压力传感器，4.超声波换能器，5. U字型超声波燃气表，5'.直通型超声波燃气表，6.收缩管段，7.压力差电信号， 8.预设值电信号，9.信号比较器，10.中断接口，11.待机模式，11A.单片机控制单元，11B. 流量显示模块，11C.流量测量模块，11D.校正模块，11E.超声波换能器，12.测量模式，12A. 单片机控制单元，12B.流量显示模块，12C.流量测量模块，12D.校正模块，12E.超声波换能器，13.校正模式，13A.单片机控制单元，13B.流量显示模块，13C.流量测量模块，13D.校正模块，13E.超声波换能器，14.下降沿中断服务程序，15.上升沿中断服务程序。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1、图2所示，在超声波燃气表测量管段靠近入口 1和出口 2处分别安装压力传感器3A、3B，用于实时监测燃气表的入口 1与出口 2之间的压力差，根据流体力学中介质流过流阻元件产生的压力差与介质流速的平方成正比的物理现象，利用所测压力差及其变化情况快速判断管道内介质处于流动还是停滞状态。当超声波燃气表的入口 1与出口 2之间的压力差大于预设值时，认为管道中介质处于流动状态；当压力差数值小于预设值时，认为管道中介质处于停滞状态。本发明的关键结构为超声波燃气表内植入的两个压力传感器3A、3B以及两传感器之间的流阻元件。其中压力传感器可以由单个压力传感器或者压力传感器网络组成，第一压力传感器3A安装于燃气表内入口 1处，第二压力传感器:3B安装于燃气表内出口 2处。 对于U字型超声波燃气表5，直接利用U字型测量管道作为流阻元件，产生入口 1与出口 2 之间的压力差；对于直通型超声波燃气表5'，另外设置收缩管段6作为流阻元件，用于产生入口 1与出口 2之间的压力差。如图1、图2所示，为超声波燃气表压力差监测示意图，包括超声波燃气表的入口 1，出口 2，压力传感器3A、3B，超声波换能器4，U字型超声波燃气表5，直通型超声波燃气表 5'，收缩管段6。其中收缩管段6仅在直通型超声波燃气表5'中需要设置，用于产生燃气表出入口间的压力差。当燃气管道出口阀门关闭时，管道中燃气处于停滞状态，根据帕斯卡原理，封闭容器内，静止流体中的压力处处相等，故超声波燃气表的入口 1和出口 2处的压力相等且等于燃气管道的供气压力，即PBC = PAC = PS(1)其中Pbc为燃气管道出口阀关闭时超声波燃气表出口 2处B点的压力，Pac为燃气管道出口阀关闭时燃气表入口 1处A点的压力，Ps为燃气管道的供气压力。此时超声波燃气表入口与出口之间的压力差APc为APc = Pac-Pbc = 0(2)当用户使用燃气时，燃气管道出口处的阀门被打开，燃气在管道中做定向流动。根据流体力学知识，介质流过流阻元件时将产生压力损失，且产生的压力差与介质流速的平方成正比。此时超声波燃气表的出口 2处的压力值将低于燃气表的入口 1处的压力值，即两者之间将产生压差。根据伯努利方程，阀开启后，B点的流速Vm满足下式其中VM、Vto为燃气管道出口阀开启时图1和图2中A、B点处燃气的流速，ΡΑ0>ΡΒ0 为燃气管道出口阀开启时图1和图2中Α、Β点处的压力，P为燃气的密度。由质量守恒，有SaVao = SbVbo(4)其中SA、&为图1和图2中A、B点处管道的内孔截面积。结合式(3)、(4)可得燃气管道出口阀开启时超声波燃气表的入口 1与出口 2之间的压力差Δ P。为由式(5)可求得燃气管道出口阀打开时，在理论最大流速Vtomax下燃气表的入口 1 与出口 2之间的最大压差值ΔΡ_Χ。由于压力传感器3Α、3Β的安装位置离燃气表入口、出口较近，故超声波燃气表入口与出口间的压差值近似等于压力传感器检测到的压差值。由式( 知压力差预设值应设为0，但为了提高超声波燃气表的可靠性，防止误操作，将压力差预设值取为最大压差值1/10 1/20，其中最大压差值ΔΡ_Χ可根据式(5)求得。如图3所示，将超声波燃气表的入口 1和出口 2之间的压力差电信号7接入信号比较器9正端，预设值电信号8接入信号比较器9负端，当压力差电信号7的电压值高于预设值电信号8的电压值时，信号比较器9输出高电平，当压力差电信号7的电压值低于预设值电信号8的电压值时，信号比较器9输出低电平。将信号比较器9输出从低电平向高电平转换的上升沿作为管道内介质开始流动的实时标志，输出从高电平向低电平转换的下降沿作为管道内介质停止流动的实时标志。如图3、图4所示，将信号比较器9的输出信号接入超声波燃气表的中断接口 10。 当超声波燃气表从信号比较器9输出端接收到标志介质停止流动的下降沿信号时，通过下降沿中断服务程序14停止流量计量，进入待机模式11或校正模式13。当超声波燃气表从信号比较器9输出端接收到标志介质开始流动的上升沿信号时，通过上升沿中断服务程序 15将燃气表从待机模式11切换为测量模式12，进行流量计量。如图5所示，初始时由超声波燃气表的内部程序产生一个下降沿信号，使下降沿中断服务程序14第一次被激活，此时将燃气表设置为待机模式11。由单片机控制单元IlA 发出控制信号，使得流量显示模块IlB正常工作，而流量测量模块11C、校正模块11D、超声波换能器IlE则不工作。由此，使得不必要的模块处于待机状态，不再工作，从而大大地降低超声波燃气表的功耗。如图6所示，当上升沿中断服务程序15被激活时，将燃气表设置为测量模式12。 由单片机控制单元12Α发出控制信号，使得流量显示模块12Β、流量测量模块12C、超声波换能器12Ε正常工作，而校正模块12D则不工作。由于压力传感器检测管道中压力变化的速度较快，只需选用灵敏度较高的压力传感器，就可以显著提高燃气表的响应速度，保证用户频繁开关时的快速性。如图7所示，当下降沿中断服务程序14被激活且不是首次被激活时，将燃气表设置为校正模式13。由单片机控制单元13A发出控制信号，使得流量显示模块13B、校正模块 13D工作，流量测量模块13C、超声波换能器13E只工作一次。完成零点校正后，超声波燃气表迅速恢复到待机模式11。综上所述，本发明提出的方法，通过测量超声波燃气表测量管段内靠近入口和出口处的压差值及压差变化情况，快速判断管道内介质处于流动还是停滞状态，从而实现燃气表三种工作模式的转换，达到降低燃气表功耗、提高响应速度、实现零点自我校正的目的。
权利要求
1.一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于在超声波燃气表的入口( 1)处安装第一压力传感器(3A)，出口(2)处安装第二压力传感器(;3B)，通过两个压力传感器实时监测超声波燃气表的入口(1)与出口(2)之间的压力差，根据所测压力差及其变化情况判断管道内介质处于流动还是停滞状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于所述的压力差及其变化情况监测方法是基于流体力学中介质流过流阻元件产生的压力差与介质流速的平方成正比的物理现象，当超声波燃气表的入口(1)与出口(2)处的压力差大于预设值时，认为管道中介质处于流动状态；当压力差数值小于预设值时，认为管道中介质处于停滞状态。
3.根据权利要求1所述的一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于所述的超声波燃气表为U字型超声波燃气表(5)时，直接利用U字型测量管道作为流阻元件，产生入口( 1)与出口(2)之间的压力差。
4.根据权利要求1所述的一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于所述的超声波燃气表为直通型超声波燃气表(5')时，在入口(1)和出口(2)间另外设置收缩管段(6)作为流阻元件，用于产生入口(1)和出口(2)之间的压力差。
5.根据权利要求1所述的一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于所述的管道内介质流动状态判定的依据是将入口(1)和出口(2)之间的压力差电信号(7)接入信号比较器(9)正端，预设值电信号(8)接入信号比较器(9)负端，当压力差电信号(7 )的电压值高于预设值电信号(8 )的电压值时，信号比较器(9 )输出高电平，当压力差电信号(7)的电压值低于预设值电信号(8)的电压值时，信号比较器(9)输出低电平；将信号比较器(9)输出从低电平向高电平转换的上升沿作为管道内介质开始流动的实时标志；将信号比较器(9)输出从高电平向低电平转换的下降沿作为管道内介质停止流动的实时标志ο
6.根据权利要求5所述的一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法，其特征在于将信号比较器(9)输出信号接入超声波燃气表中断接口(10)，当超声波燃气表(5)从信号比较器(9)输出端接收到标志介质停止流动的下降沿信号时，通过下降沿中断服务程序(14)停止流量计量，进入待机模式(11)或进入校正模式(13);当超声波燃气表从信号比较器(9)输出端接收到标志介质开始流动的上升沿信号时，通过上升沿中断服务程序(15)将燃气表从待机模式(11)切换为测量模式(12)，进行流量计量。
全文摘要
本发明公开了一种用于超声波燃气表的管道内介质流动状态判定方法。在超声波燃气表测量管段靠近入口和出口处分别安装压力传感器，用于实时监测燃气表入口与出口之间的压力差，根据流体力学中介质流过流阻元件产生的压力差与介质流速的平方成正比的物理现象，利用所测压力差及其变化情况判断管道内介质处于流动还是停滞状态。本发明应用于超声波燃气表，可为其工作于待机模式还是测量模式提供快速切换指令，从而有效延长超声波燃气表的供电电池使用寿命。此外，该方法可为超声波燃气表进行零点实时修正提供修正时机选择依据。
文档编号G01L13/06GK102564681SQ20121003716
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者何俊, 傅新, 毛凯, 王利军, 胡亮 申请人:浙江大学