膜式燃氣表vs超音波燃氣表 :

傳統的家庭用燃氣表為機械膜式燃氣表,如下圖所示。

因為膜式燃氣表為機械式的動作,滑閥容易與流道產生間隙,因而產生漏流,漏流越大,容積式流量計的誤差越大。基於上述原因,燃氣表業者已積極尋求更精確的燃氣流量計量方式,超音波燃氣表即為其中一種廣為被看好的解決方案,其特點為無機械往復動作、可偵測多種不同種類氣體、體積小、重量輕、精確度高、且不會造成管路內的壓力損失。近年來包括歐洲、美國、日本等先進國家及快速發展中的中國,都已積極發展超音波燃氣表。隨著網路系統的成熟發展,全數位化的超音波燃氣表可以透過IoT系統的連結,達到即時監控使用能源的效率,並可作遠端帳單管理,節省了大量人工抄表及管理的成本。

超音波燃氣表特性:

  • 精度高,精確度可達0.1%
  • 耐用、可靠性高
  • 量測時不會造成管路內的壓力損失
  • 寬廣的流量測定範圍
  • 可觀察瞬間流量及累積流量
  • 可作雙向流量量測
  • 因無可動零件,幾乎無需保養,大幅度的減少維護成本
  • 可作線上整體性能診斷

超音波燃氣表工作原理:

超音波流量計的測量方式是利用超音波於流體上下游的傳播時間差( Difference Time of Flight, DToF) 來量測管路內的流體流速,再藉由流速乘上管路截面積,換算出流體流量。當超音波行進方向與流體同方向時,其傳播速度會較快,反之則會較慢,我們可利用其傳播的時間差(DToF )來推算出流體在管路中的流速及流量。

具體方式為,於管路流道上游及下游位置上各安置一顆超音波傳感器(可為反射式(Type(I))或直射式(Type(II))的設置),如下圖所示。超音波從上游的傳感器A傳播至傳感器B的時間(Tdown)較短,從下游傳感器B傳播至傳感器A的時間(Tup)較長。我們可量測出其傳播時間(Tdown)及(Tup),並計算其時間差,即可推算出管路流道內流體的流速,再乘上已知的管路截面積,即可得到流量值。

式子(1)+(2) 可得到:

式子(2)-(1) 可得到,

由式子(4)的結果可得知,氣體流速V與氣體聲速C大小無關。由已知的管路截面積A,乘上氣體流速V,即可得到氣體流量,

其中,
V : 氣體流速.
C : 氣體聲速.
Tup : 超音波由傳感器B至傳感器A的傳播時間
Tdown : 超音波由傳感器A至傳感器B的傳播時間
A : 管路截面積.
Q : 氣體流量.
K : 修正係數.

超音波燃氣表開發量測系統:

超音波燃氣表需要一套高精密的信號量測系統量測信號及演算流量,一般可選擇適用於偵測超音波氣體流量的公版測試電路,例如 TI EVM430-FR6043,如下圖所示:

電路板EVM430-FR6043的量測精度可達到±250 皮秒(ps,10-12秒),可幫助我們精確的量測氣體流量計中重要的性能參數,如掃頻重合度,ADC 峰值,及靜態零點飄移(ZFD)等,下圖是詠業科技開發的高性能及高可靠度的超音波傳感器A500A,其工作頻率約為500 kHz,使用EVM430-FR6043測試的結果:

超音波燃氣表國家標準:

由於超音波燃氣表擁有諸多明顯的優點,因此一些先進國家如美國,日本等皆已經在10多年前將超音波燃氣表實際安裝於家庭中使用,也制定了其產業標準,包括: 工作條件,技術要求,試驗方法,檢測規範等等,如美國國家標準(AGA-9)及日本國家標準(JIS B8571)。中國政府最近也已積極起草“家用超聲燃氣表”的國家標準規範(JJG-0577.2),並預計於2021.10.1公佈實施。

  • 美國國家標準(AGA-9)
其中
qi : 流量(m3/h)
qt : 分界流量
qmin : 最小流量
qmax : 最大流量
  • 日本國家標準(JIS B8571)

超音波燃氣表最大允許誤差

  • 中國國家標準(GBT39841)

超音波燃氣表最大允許誤差

超音波燃氣表的監測與問題診斷:

除了量測精度高及幾乎無需作零件保養的特性外,超音波燃氣表的優點之一是可以作線上整體性能診斷,遠距監測本身的健康狀況,從而能即時得知問題所在,及預測可能即將發生的故障,一般常見的診斷所採用的參數如下:

Gain (增益)
現在的超音波燃氣表都會對接收器設計有訊號自動增益的功能,使訊號強度能維持在某一設計值。若發現增益增加,表示訊號正在變弱,這可能是由於超音波傳感器劣化、超音波傳感器表面污染或管線中殘存的液體造成的。

Signal Quality (訊號品質)
理想情況下,超音波傳感器發射端發送的脈衝都將被接收端使用。但有時訊號會失真、太弱,或者接收到的脈沖不符合某些標準。當這種情況發生時,電子電路會排除這些偶發訊號。若過多數量的脈衝訊號被排除,將會影響流量計的量測結果。造成這種問題的原因有很多種,除了過高的氣體流速外,傳感器表面的污染和過多的外來的超音波噪聲是常見的因素。

Signal-to-Noise Ratio (訊噪比)
每個傳感器都能夠接收任何來自外部源的噪聲訊號,噪聲增大會降低訊噪比,影響量測結果。過大的噪聲會”淹沒”訊號,導致儀表無法工作。噪聲發生的原因主要是來自外部源訊號的頻率與從傳感器本身傳輸的頻率過於相近所致。另外,接地不良、電子設備和傳感器之間的電氣連接不良、外來的電磁波干擾、換能器污染、管線震動等等,都有可能是噪聲的來源。

Velocity Profile (流速分布曲線)
氣體於管路內部的流動速度會呈曲線分布,越接近管路中心,流速會越快。一般來說,管路內壁越粗糙,流速曲線會越”尖銳”。若管路內部有發生汙染或有異物,則偵測到的流速分布曲線會發生明顯變化。

Speed of Sound (氣體聲速)
因氣體流量的計算需使用到超音波於流體上下游的傳播時間數值,根據公式 (4),若量測得到的超音波傳播時間數值的誤差大,則演算出的流速誤差就大。因此,根據公式 (3),定期驗證聲速的量測值與聲速的理論值或是聲速的經驗值是否維持在一定的合理範圍內是很重要的。