带沼气识别功能的超声波气体流量计的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——带沼气识别功能的超声波气体流量计。该专利由武汉亿能科创环保技术有限公司申请，并于2017年1月18日获得授权公告。

内容说明

本实用新型涉及气体流量测量领域，特别是涉及一种带沼气识别功能的超声波气体流量计。

发明背景

目前我国正在大力推广沼气作为绿色能源，同时国家对使用沼气进行用气补贴，因此必须有一种经济的方法能同时测量沼气的成分及流量，并能可靠区分所通气体是沼气还是空气。这样，才能避免骗取沼气用气补贴的情况发生。

在专利CN103454344中，提出了一种识别所通气体是沼气还是空气的方法，由于超声波信号大小与气体压力有关，压力越大信号越大，对于没有压力测量装置的沼气表，可能会出现沼气压力较大时，就认为信号较大，判断所测气体为空气，因此该方法容易受到气体压力波动、传感器老化、传感器被污染等影响产生误判，流量计的沼气识别功能会产生错误。

现有技术中，对沼气的流量和成分等数据，都是单独测量，测量复杂、设备利用率低，测量精度低，且无法准确的对沼气进行识别。

发明内容

基于此，有必要提供一种功能多样化、能同时进行沼气识别、流量测定、 成分测定、热值测定、且测量精度高、识别准确度高的带沼气识别功能的超声波气体流量计。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：带沼气识别功能的超声波气体流量计，包括用于气体通过的测量管道、安装于测量管道内用于发射和接收超声波的第一超声波传感器和第二超声波传感器、安装于测量管道上的人机交互系统，还包括用于进行控制以计算气体流量、成分、热值和进行沼气识别的控制系统；所述控制系统包括用于进行控制的单片机、用于驱动第一超声波传感器和第二超声波传感器发射超声波信号的驱动模块、用于对第一超声波传感器和第二超声波传感器接收到的超声波信号处理得到电信号的信号处理模块、用于测量超声波传播时间的时间测量模块、用于计算气体流量的流量计算模块、用于计算气体成分的成分计算模块、用于技术沼气热值的热值计算模块、用于识别沼气的识别模块，所述单片机控制驱动模块以发射超声波信号，所述信号处理模块将电信号传送至单片机，所述时间测量模块将时间信号传送至单片机，所述单片机根据电信号和时间信号，控制流量计算模块计算气体流量，成分计算模块根据气体流量计算成分，识别模块根据成分计算模块计算出的沼气浓度来判断所通气体是否为沼气，人机交互系统显示气体流量信息、成分信息和识别结果。

对上述技术方案的进一步改进为，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的连线长度为L，第一超声波传感器的轴线和第二超声波传感器的轴线与测量管道轴线之间的夹角均为θ，测量管道的直径为D。所述识别模块包括判断单元和连接于判断单元用于测定沼气中CH4浓度的浓度测量单元，所述判断单元根据浓度测量单元测得的CH4浓度来判断所通气体是否为沼气。所述识别模块包括判断单元和存储有若干种用气模型的储存单元，所述判断单元将用气行为与储存单元内的用气模型进行对比来判断所通气体是否为沼气。所述识别模块为红外CH4传感器。

本实用新型的有益效果为：本实用新型中，在控制系统的作用下，第一超声波传感器发射超声波信号，第二超声波传感器接收超声波信号，控制系统将这些超声波信号转换为电信号并计算出气体流量、成分、热值，判断所通气体是否为沼气，再通过人机交互系统实时显示。一方面，本实用新型能同时实时测量流量、成分，进行沼气识别，功能多样化，设备利用率高，第二方面，采用超声波传感器发射接收信号，并对信号进行处理来进行测量，成本低，测量精度高。

控制系统包括用于进行控制的单片机、用于驱动第一超声波传感器和第二超声波传感器发射超声波信号的驱动模块、用于对第一超声波传感器和第二超声波传感器接收到的超声波信号处理得到电信号的信号处理模块、用于测量超声波传播时间的时间测量模块、用于计算气体流量的流量计算模块、用于计算气体成分的成分计算模块、用于技术沼气热值的热值计算模块、用于识别沼气的识别模块，所述单片机控制驱动模块以发射超声波信号，所述信号处理模块将电信号传送至单片机，所述时间测量模块将时间信号传送至单片机，所述单片机根据电信号和时间信号，控制流量计算模块计算气体流量，成分计算模块根据气体流量计算成分，识别模块根据成分计算模块计算出的沼气浓度来判断所通气体是为沼气，人机交互系统显示气体流量信息、成分信息、热值信息和识别结果。在驱动模块作用下，第一超声波传感器发射超声波时，第二超声波传感器接收超声波，第二超声波传感器发射超声波时，第一超声波传感器接收超声波，第一超声波传感器和第二超声波传感器将接收的超声波信号传送至信号处理模块，经放大后将超声波信号转换为电信号，再反馈至单片机，同时，时间测量模块将时间信号传递至单片机，单片机根据电信号和时间信号，控制流量计算模块计算气体流量。控制系统对第一超声波传感器和第二超声波传感器接收的超声波信号的处理效率高，使得测得的气体参数精度高，且采用此种控制系统，使得只需采用两个超声波传感器就能同时得到气体的流量和成分，降低了整体测量成本。

第一超声波传感器和第二超声波传感器的连线长度为L，第一超声波传感器的轴线和第二超声波传感器的轴线与测量管道轴线之间的夹角均为θ，测量管道的直径为D。

此外，识别模块包括判断单元和连接于判断单元用于测定沼气中CH4浓度的浓度测量单元，所述判断单元根据浓度测量单元测得的CH4浓度来判断所通气体是否为沼气，预先设定，当浓度测量单元测得的CH4浓度为50％-70％，判断单元将此气体判定为沼气，当浓度测量单元测得的CH4浓度在50％-70％范围之外时，判断单元将此气体判定为空气结构简单、识别精度高。

识别模块包括判断单元和存储有若干种用气模型的储存单元，所述判断单元将用气行为与储存单元内的用气模型进行对比来判断所通气体是否为沼气。储存单元内实现储存有若干种用气模型，如一种用气模型为，用户会在做饭时用气，因此集中在三个时间段，处于这三个时间段的用气行为，判 断单元将其判断为沼气，处于这三个时间段之外的用气行为，判断单元将其判断为空气。另一种用气模型为，由于正常用气时用气流量波动范围较大，因此当用气流量持续固定或这用气流量在几个固定流量值附件变化时，此时不是正常用气行为，当用气行为为用气流量持续固定或这用气流量在几个固定流量值附件变化时，判断单元将其判定为空气，其余情况判定为沼气。本实施例中，采用软件算法，不增加硬件成本的前提下实现沼气的正确识别。

识别模块为红外CH4传感器，红外CH4传感器能直接感应CH4的存在，直接区分所通气体为CH4或空气，成本低，识别准确。