大管径高温含尘气体流量计

D01:10.13374/i.issm1001053x.2002.05.025 第24卷第5期 北京科技大学学报 Vol.24 No.5 2002年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2002 大管径高温含尘气体流量计 李艳霞 陈先中 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要介绍了一种新型阝射线电离式气体流量计.该流量计基于标记分子法测气体流速，通 过硬件模拟电路对所得微弱电流信号进行放大滤波，经AD转换输入计算机，由软件寻峰定 时，实现对大管径高温气体流量的非接触测量.设计并制作了硬件电路，给出了详细的软件设 计流程图 关键词B射线电离式；标记分子法；模拟电路；寻峰软件 分类号TP274 放射性同位素在核子皮带称、液位计等固、 气、化工气体等污染性较大的气体；新型的超声 液体测量方面，已有很广泛的应用，并取得了相 波流量计对管径的要求也有尺寸的限制.鉴于 当好的经济效益.然而，它在气体流量测量方面 现有的气体流量检测仪表难以满足大管径高温 的应用还很欠缺，在国内尚无成功的应用，在国 含尘气体流量测量的需求，本文提出了一种在 外也仅限于原理及应用方面的探索性研究". 高温环境下测量范围广、使用寿命长的新型气 目前，在国民经济的各行各业中，应用气体 体流量计—阝射线电离式气体流量计. 流量测量的场合很多.如“西气东输”中天然气 的计量，煤炭行业中焦化厂所产煤气的流量计 1阝射线电离式流量计总体方案 量，矿井通风量的计量，化工行业中分离蒸馏气 通常放射性同位素电离气体的流速测量方 体流量的计量，高炉送气量的的计量.然而，传 法有3种：吹走离子法、吹入离子法和标记分子 统的孔板式流量计及其他压差式流量计，由于 法1.本文采用了精度较高的改进型标记分子 对取压边缘的光滑性要求高而难以适用于煤 法，总体测量系统如图1. 偏压电源 传感器偏压极 放射源 步进电机及调制盘 传感器收集极 微电流放大 及处理电路 功率放大 显示及打印 计算机控制运算系统 图1B射线电离式流量测量系统示意图 Fig.1 B radiation ionization flowmeter 收稿日期200201-11李艳霞女，23岁，硕士 *国家“九五"科技攻关项目(No.97-225-01-01-02)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 招 大管径高温含尘气体流量计 李艳 霞 陈先 中 北京科技大学信息工程 学院 ， 北京 摘 要 介绍 了一种新 型 射线 电离式气体流量计 该流量计基于标记分子法测气体流速 ，通 过硬件模拟 电路对所得微弱电流信号进行放大滤波 ， 经 心 转换输人计算机 ， 由软件寻峰定 时 ， 实现对大管径高温气体流量 的非接触测 量 设计并制作 了硬件 电路 ， 给 出 了详细 的软件设 计流程 图 关键词 射线 电离式 标记分子法 模拟 电路 寻峰软件 分类号 放射性 同位素在核子皮带称 、 液位计等 固 、 液体测量方面 ， 已有很广泛 的应用 ， 并取得 了相 当好 的经济效益 然 而 ， 它在气体流量测量方面 的应用 还 很欠缺 ，在 国 内尚无成功 的应用 ， 在 国 外也仅 限于原理及应用 方 面 的探索性研究 〔 目前 ， 在 国 民经济的各行各业 中 ， 应用气体 流量测 量 的场合很 多 如 “ 西 气东输 ” 中天 然气 的计量 ， 煤炭 行业 中焦 化厂 所 产煤气 的流量计 量 ， 矿井通 风量 的计量 ， 化工行业 中分离蒸馏气 体流量 的计量 ， 高炉送气量 的 的计量 然 而 ， 传 统 的孔板式 流量计及其他压差式流量计 ， 由于 对 取 压 边 缘 的 光 滑 性 要 求 高 而难 以 适 用 于 煤 气 、 化工气体等污染性较大的气体 新型 的超声 波流 量计对管径 的要求也有尺 寸 的 限制 鉴 于 现有 的气体流量检测仪表难 以满 足大管径高温 含尘气体流量测 量 的需 求 ， 本 文提 出了一 种在 高温环境下测 量 范 围广 、 使用 寿命长 的新 型 气 体流量计— 射线 电离式气体流 量计 射线 电离式流量计总体方案 通 常放射性 同位素电离气体 的流速测 量方 法有 种 吹走离子法 、 吹人离子法 和标记分子 法 〔， 本文 采用 了精度较高的改进型 标记分子 法 ， 总体测 量 系统如 图 上 趾 」 嘛 洲 下一犷一厂 一一珊一 一训 微 电流放大 功率放大 及处理 电路 显示及打 印 图 射线电离式流 测 系统示 意 图 晚 收稿 日期 一 一 李艳霞 女 ， 岁 ， 硕 士 国家 “ 九五 ” 科技攻关项 目 一 一 一 一 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2002．05．025

Vol.24 李艳酸等：大管径高温含尘气体流量计 ·575 1.1基本工作原理 集极、绝缘装置等 该流量测量装置的基本工作原理是：首先 系统进行自检及初始值设定，然后启动步进电 2微电流放大及信号处理 机带动调制盘转动，让过一束B射线.该阝射线 根据射线的强弱估算，收集极上所能得到 将使管道中瞬间流过的气体电离，同时控制程 的电流信号大约为10-A,频率为1Hz.对于 序开始计时.被电离的离子团随同其他气体分 如此微弱的电流信号，必须经过一系列的放大 子一起沿管道流动到传感器所在下游区域.传 滤波处理得到足够幅度的电压信号，才能进行 感器的偏压极加有电压，该电压使偏压极与收 数字化处理.因此设计了pA级的微电流处理 集极之间形成一个电场，离子在该电场的作用 电路 下向两极移动，这样就在收集极得到微弱的电 该电路分为三部分：电流/电压转换、微电 流信号，经过前置放大将其变换为电压信号，并 压放大和滤波.电路设计如图2. 进行放大、滤波及数字化处理.再通过寻峰软件 2.1电路分析计算 处理，得到峰值时间，即离子形成到传播一定距 (1)微电流放大电路分析计算.如图2，第1 离L之后到达传感器的时间t,相应的流速就可 级为直流微电流放大部分.提高信噪比以保证 以求出：V=Lh.流速得到之后即可进一步求出 微电流信号不被淹没是关键.要求运算放大器 流量及累计流量，送入二次仪表显示 的输入阻抗R,足够高.满足R,>R.输入偏置电 1.2系统组成 流足够小，不大于待测信号的1%.故选用ET 该流速及流量测量系统的主要组成部分包 输入型放大器，如MAX406(系列). 括： 另外，由于反馈电阻R较大，放大器的响应 (1)前置放大滤波部分.主要是对传感器收 时间长，导致信号蜂值时刻的延迟，不可忽略 集极上所得到的微电流进行放大滤波处理，有 决定响应时间。的主要因素有：放大器的输入 效克服工频及高频噪声干扰，提高信噪比获取 电容Co,反馈电阻R,电阻R两端的电容C等 光滑有用信号 根据并联负反馈原理写出总时间常数为： (2)计算机中央控制、运算和管理系统.主要 t=R:[(1+KDC.+C] 是通过软件编程将AD数据采集器所采集的数 1+K 字信号直接进行处理剔除干扰，提取有用信息， 其中，K,为放大器的开环增益.当(1+K)C 及时求得蜂值到达时间，计算出风速及流量· >C。时，即放大器的开环增益足够大时，直流 (3)步进电机和传感器部分.包括步进电机 放大器的响应时间与输入电容C。无关.响应时 调制盘及光耦功率放大、传感器偏压极、离子收 间若取5倍的x,则te=5r=RCe=50ms. R,1k R1 MO C0.0 MAX420 R 10k U R21k2 C MAX406 Ca0.1μF OP37 MAX7401 R R100k2R6100k2 6 U C0.22F 0.1u R.50k2 IC, 0.033F 图2微电流放大及处理电路图 Fig.2 Analogue circuit for faint current processing

心 李艳 霞等 大管 径高温含 尘 气 体流量计 一 基本工作原理 该流量测 量装置 的基本工作原理是 首 先 系统进行 自检及初始值设定 ， 然后启动步进 电 机带动调 制盘转动 ， 让过一束 射线 该 射线 将使管道 中瞬间流过 的气体 电离 ， 同时控制 程 序开始计时 被 电离 的 离子 团 随 同其他气体分 子 一起沿 管道 流 动 到传感器所在下 游 区 域 传 感器的偏压极 加有 电压 ， 该 电压使偏压极 与收 集极 之间形 成一个 电场 ， 离 子在该 电场 的作用 下 向两极 移动 ， 这样就在 收集极得到微弱 的 电 流信号 ， 经过前置放大将其变换为 电压信号 ， 并 进行放大 、 滤 波及数字化处理 再通过寻峰软件 处理 ， 得到峰值时间 ， 即离子形成到传播一定距 离 之后 到达传感器 的时间 ， 相应 的流速就可 以求 出 二 流速得 到之后 即可进一 步求 出 流量及 累计流量 ， 送人二次仪表显 示 系统组成 该流 速及流量测量 系统 的 主 要组 成部分包 括 前置放 大滤 波部分 主 要 是对传感器收 集极上 所得到 的微 电流进行放 大滤波处理 ， 有 效克服工频及 高频 噪声 干 扰 ， 提高信噪 比获取 光滑 有用 信号 计算机 中央控制 、 运算 和管理系统 主要 是通过软件编程将 数据采集器所采集 的数 字信号直接进行处理剔 除干扰 ， 提取有 用 信息 ， 及 时求得峰值到 达 时 间 ， 计算 出风速 及流量 步进 电机和传感器部分 包括步进 电机 调制盘及光祸功 率放大 、 传感器偏压极 、 离子收 集极 、 绝 缘装置等 微电流放大及信号处理 根据射线 的强 弱 估算 ， 收集极上所能得到 的 电流信号 大 约 为 一 ” ， 频率 为 对于 如 此微弱 的 电流 信号 ， 必 须经过一 系列 的放大 滤 波 处理得 到 足 够 幅度 的 电压信号 ， 才能进行 数字 化处 理 因 此设计 了 级 的微 电流处理 电路’ 该 电路分为三 部分 电流 电压转换 、 微 电 压 放 大和 滤波 电路设计如 图 电路分析计算 微 电流放大 电路分析计算 如 图 ， 第 级 为直流微 电 流 放大部分 提 高信噪 比 以 保证 微 电流信号 不 被淹没是关键 要求运 算放 大器 的输 人 阻抗 、 足 够高 ， 满 足 凡 输 人偏 置 电 流 足 够小 ， 不 大 于 待测 信号 的 故选用 输人 型 放大器 ， 如 系列 另外 ， 由于反馈 电阻 。 较大 ， 放大器 的响应 时 间 长 ， 导 致信号 峰值时刻 的延迟 ， 不 可 忽 略 决定响应 时 间 。 的主要 因 素有 放大器 的输入 电容 ，反馈 电阻 。 ， 电阻 两端的 电容 等 根 据 并联 负反 馈原理写 出总 时间常数为 一星坦当舒到 其 中 ， 为 放 大 器 的 开 环 增 益 当 卜 时 ， 即放 大器 的开 环增益足 够大 时 ， 直 流 放大器 的 响应 时间与输人 电容 无关 响应 时 间若取 倍 的 ， 则 凡 二 目 叮 扫 乙玺 ︸ 已、 石 。 、 幻 二巴 叮 ，︸、 丙气︶ ‘， ， 一 沪，叹丫 洲尸一求忙月 以 尸 军二 尸之 占 三匕 ’ 时 于 时告 打 一 一 协 图 微电 流 放大 及处理 电路图

·576· 北京科技大学学报 2002年第5期 (2)微电压放大电路分析计算第2级为微电 接线柱周围加保护圈，即用导体包围微弱信号 压放大电路.运算放大器的选择很关键.直流放 部分，因同电位，漏电流小.这不仅适用于微小电 大器存在零点漂移从而限制了被测信号的下限 流放大电路，也适用于微小电压放大电路.各元 值；交流放大器低频特性很差，不能直接放大直 器件表面须保持清洁.整个电路系统放置于双 流或缓慢变化的信号.因此，选用调制型直流放 层金属屏蔽盒内 大器，如CMOS单片斩波放大器MAX420(系 列). 3数据采集及软件设计 (3)滤波电路分析计算滤波部分由二阶压控 3.1接口设计 电压源低通滤波电路和集成滤波芯片MAX7401 从硬件电路得到的传感器信号以及对步进 组成.如图2中所示二阶LP℉电路，由频率特性 电机的控制信号都是模拟量，需要经过AD和 计算得电压放大倍数： D/A转换.A/D转换器即数据采集器是联系系 统软件和硬件的桥梁，设计中选用了华控公司 ) 的数据采集控制板，用于模拟信号采集和电机 启动控制.该板提供了单端16路数据采集输入 则f=6时电压放大倍数的模与通带电压放大 通道，通过硬件设置，模拟信号输入范围可以 倍数之比Q: 是±10V,5V,±2.5V,0-5V,0-10V.本设计中 -41 选定输入范围为±5V.该板转换精度高于 为达到Butterworth最平坦特性，2值必为0.707. ±0.03%，分辨率12位，换算成电压值为10 并且对于C,来说反馈电容C,应取大容量以保 V/4095=2.44mV,AD转换时间为25us.另外，该 证达到规定的Q值，C4和C,必须满足 板提供的1路12位的D/A转换模拟电压输出 C4=4QC,=2C.计算实际参数时，按下面公式： 通道作为电动机的启动控制器.此外，基于Win- 22 dows的动态链接库驱动函数文件包含数据采 C-2元fRC20×2fR 集板的各个函数，采用VC++编制，可以直接方 其中，E为截止频率，R=R,=R。.滤波芯片MAX 便地进行数据交换 7401转角频率由内部晶振频率和外接电容C6 3.2寻峰计算 共同确定.计算公式： 直接由内存记录的一组数据库，分别记录 fE=fx/100,fx=3.8×10/C6. 了B射线发射时刻计时采样的起点，以及标志信 其中，fx为内部时钟频率，Hz.C的单位为pF 号最强时刻，即峰值点时刻为离子团中心到达 C6=0.1uF时： 极板中心时刻的终点.若设数据采集的采样周 =3.8Hz>1Hz 期为T,离子团形成与被探测位置之间（即离子 实验证明滤波效果很好综上得： 团在管道中的行程)为S,则离子团的运行速度 u-U-U1+是UW-1+是rMR R (即管道中的气体流速)为： 当输入为10pA,频率1Hz的电流信号时，U,= S y=N.T' 0.1V满足下一步A/D数据采集器的输入要求. 这里N是峰值点时刻对应的采样数组中的下标 2.2注意事项 值.若设管道横截面积为A,则管道中气体的体 对pA级的微弱电流进行转换时，电路设计 积流量就可以求出： 除运算放大器的选择外，印刷电路板的设计是 O=v.A. 信号处理效果的关键.当电源线与输入线交叉 33软件流程设计 时，只要绝缘电阻不是无限大，就会有电流流过， 软件采用Microsoft VC+6.0编写.首先启 并且还会随温度而变，故而造成电路不稳定，一 动电机并计时，然后从AD转换板采入电压信 般采用保护圈工艺.实际装配时，集成芯片输入 号，存入动态数组中，经软件滤波等处理后进行 端不直接接在印刷电路板上，而通过聚四氟乙 寻峰，显示结果.具体编程包括动态链接库调 烯接线柱与其他元件相接.聚四氟乙烯绝缘电 用，利用VC++提供的通用模板创建动态数组， 阻高，故漏电流小，适于微弱电流放大电路.同时 使用定时器，画点显示，寻峰算法及界面设计

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 微 电压放大 电路分析计算第 级 为微 电 压放大电路 运算放大器 的选择很关键 直流放 大器存在零点漂移从而 限制了被测信号 的下 限 值 交流放大器低频特性很差 ， 不能直接放大直 流或缓慢变化的信号 因此 ， 选用调制型直流放 大器 ， 如 单片斩波放大器 人 系 列 滤波电路分析计算滤波部分 由二阶压控 电压源低通滤波电路和集成滤波芯 片 组 成 如 图 中所示 二 阶 电路 ， 由频 率特性 计算得 电压放 大倍数 接线柱周 围加保护 圈 ， 即用 导体包 围微弱 信号 部分 ，因 同电位 ，漏 电流小 这不仅适用 于微小 电 流放大电路 ，也适用 于微小 电压放大 电路 各元 器件表 面须保持清 洁 整个 电路 系统放 置于 双 层金属 屏 蔽盒 内 “一 卜吩 ， 一 乡虑」 ， 、 ’ 、 已 、 。 入 蜘 一 “ 口 ’ 百 则 关 时 电压放大倍数 的模 与通 带 电压放大 倍数之 比 一 孕七 犷 为达到 最平坦特性 ， 值必 为 并且对 于 来说反 馈 电容 应取大容量 以保 证 达 到 规 定 的 值 ， 已 和 已 必 须 满 足 二 二 少已 二 计算实际参数时 ，按下面公式 二 找人 。 ， 叹石 。 ’ 其中 ， 关为截止频率 ， 。 二 ， 。 滤波芯 片 转角频率 由 内部 晶振频 率和 外接 电容 共 同确定 计算公式 关 二 关 、 ， 关 、 ， 认 其 中 ， 关 为 内部时钟频率 ， 么 的单位为 林 时 关 实验证 明滤 波效果很好 综上得 一 以一 认一“ 资 · 。 ，一 ‘ 贪 · 、 · 当输 人 为 ， 频 率 的 电流 信号 时 ， 满足 下一 步 数据采集器 的输人要 求 注意事项 对 级 的微弱 电流 进行转换 时 ， 电路设计 除运算放大器 的选 择外 ， 印刷 电路板 的设计是 信号处 理效果 的关键 当电源线与输 人线交叉 时 ，只要绝缘 电阻不 是无 限大 ，就会有 电流流过 ， 并且还 会随温度 而变 ，故 而造成 电路不稳定 ， 一 般采 用 保护 圈 工艺 实际装配 时 ，集成芯 片输人 端不 直接接在 印刷 电路板上 ， 而 通过 聚 四 氟 乙 烯接线 柱 与其他元件相接 聚 四 氟 乙 烯绝缘 电 阻高 ，故漏 电流小 ，适 于微弱 电流放大电路 同时 数据采集及软件设计 接 口设计 从硬件电路得 到的传感器信号 以及对步进 电机 的控制信号都是模拟量 ， 需 要经过 户以 和 转换 心 转换器 即数据采集器是联 系系 统软件 和 硬件 的桥梁 ， 设计 中选用 了华控公 司 的数据采集控制板 ， 用于模拟 信号采集和 电机 启动控制 该板提供 了单端 路数据采集输人 通 道 ， 通过 硬件设置 ， 模拟信号输人范 围可 以 是土 ，士 ，士 ， 一 ， 一 本设计 中 选 定 输 入 范 围 为巧 该 板 转 换 精 度 高 于 士 ， 分 辨 率 位 ， 换 算 成 电 压值 为 二 ， 转换时 间为 哪 另外 ， 该 板提供的 路 位 的 转换模拟 电压输 出 通道作为 电动机的启动控制器 此外 ， 基于 的动 态链接库驱动 函数文件包含数据采 集板 的各个 函数 ， 采用 十十 编 制 ， 可 以 直接方 便地进行数据交换 寻峰计算 直接 由内存记 录 的一 组数据库 ， 分别记 录 了 射线发射时刻计时采样 的起点 ， 以及标志信 号最强 时刻 ， 即峰值点时 刻为 离子 团 中心 到达 极板 中心 时刻 的终点 若设数据采 集 的采样周 期 为 ，离子 团形成 与被探测位置之间 即离 子 团在管道 中的行程 为 ， 则离子 团 的运行速度 即管道 中的气体流 速 为 二 万二了 · 这里 是峰值点时刻对应 的采样数组 中的下 标 值 若设管道横截面积为 ， 则 管道 中气体的体 积流量 就可 以 求 出 · 软件流程设计 软件采 用 编写 「，， 首先启 动 电机并计时 ， 然 后从 心 转换板采人 电压信 号 ， 存人动态数组 中 ， 经软件滤波等处理后进行 寻峰 ， 显示结果 具体编程包括动 态链接库调 用 ， 利 用 十 提供 的通用 模板创建动 态数组 ， 使用 定 时器 ， 画 点显示 ， 寻峰算 法及界面设计

Vol.24 李艳霞等：大管径高温含尘气体流量计 ·577· 其中寻峰程序采用了平均值滤波、波宽法剔毛 率放大电路驱动步进电机，带动转盘周期性遮 刺、阈值设定及上山下山寻峰等方法.整个软件 盖放射源，向管道发射同步脉冲离子流，在偏压 流程如图3. 极板作用下，离子流信号由微弱信号处理电路， 3王其俊.同位索仪表M.北京：原子能出版社，1984 图3软件设计流程图 4柏林（美）.运算放大器电路设计与实验[MW.北京：科 Fig.3 Computer flow chart 学出版社，1987 5 Bates Jon,Tompkins Tim.实用Visual C.++6.0教程M 4系统安装 北京：清华大学出版社，2000 测量传感器采用钢管制作，控制信号由功 Development of a Novel Type of Flowmeter for High-Temperature Dusty Gas in Large Section Piping LI Yanxia,CHEN Xianzhong Information Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT A novel type of B radiation ionization gas flowmeter is introduced based on the molecule- marked method measuring the air stream velocity.The faint current from a ionization room is detected to a computer through an A/D convertor after being magnified and filtered by an analogue-signal-processing cir- cuit.Through a peak-seeking software,the flow rate can be achieved by the non-touching method even under bad conditions.The detailed design of hardware and software is given. KEY WORDS Bradiation ionization:molecule-marked method;analogue circuit;peak-seeking software

、勺 一 李 艳霞 等 大 管 径 高温含尘气 体流 量计 一 其 中寻峰程 序采用 了平均值滤 波 、 波宽法 剔 毛 刺 、 阂值设定及 上 山下 山寻峰等方法 整个软件 流程 如 图 初始化 输入参量值 启动 电机 启动计 时 不正 常 息 率放 大 电路驱 动 步进 电机 ， 带动转盘周期性遮 盖放射源 ， 向管道发射 同步脉 冲离子 流 ， 在偏压 极板作用下 ， 离子流信号 由微弱信号处理 电路 ， 经 转换送人计算机 中 ， 由软件进行处理 实 验数据 如 表 表 级 空 气流速测 数据 及 一 风 速 实际值 · 一 ‘ 测量值 · 一 ， 相对误差 级 级 级 一 一 一 区亘噩唾遍遍丈敛丁 处理 场葡赢衅 数据 ， 寻峰 ， 得到 一个速度 显示结果 图 软件设 计流程 图 · 系统安装 测 量传感器采用 钢管制作 ， 控制 信号 由功 结论 本 流量 计采用 同位素 电离标记分子 流量测 量方 法与特殊 的结构设计 ， 经实验标定 ， 测 量精 度可 达 它具有很强 的抗腐蚀抗污 染能力 ， 尤其适用 于工业上恶劣环境 下高温大管径气体 流量 的测 量 参 考 文 献 ， ， ， ， 一 应启 夏 ， 赵学瑞 流 量检测 及 仪表 「 上海 上海交 通大学 出版社 ， 王 其俊 同位素仪表 、 北京 原子能出版社 ， 柏林 美 运算放大器 电路设计与实验〔 北京 科 学 出版社 ， ，肠 实用 教程 北京 清华大学 出版社 ， 一 ， 〔万 ， 三 ， ， 一 一 顽 一 ， 一 一