一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法与流程

本发明涉及气体计量，更具体地说，涉及一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法。

背景技术：

1、天然气中常通过掺入氢气能有效提升其燃烧效率并减少碳排放。而现有计量方法普遍采用体积测量方法来计量天然气，这种方法忽略了天然气的成分和热值差异，导致所有气质按同一体积标准进行贸易结算，未能体现天然气的真实价值。

2、例如，公开号为cn116930318a的专利文献，提供一种基于超声流量计测量混合气体浓度的方法，在该方法中，通过采用具有两组超声换能器组的流量计，且两组超声换能器组的超声传播路径交叉分布，利用弛豫吸收幅值分别测量氢气和甲烷的浓度，得到两组数值，再将两组数值进行均值运算，从而减小误差，提高测量气体浓度的准确率。

3、上述文献提供的检测方法，能够用于对天然气中氢气和甲烷浓度的测量，有利于对精确确定天然气的实际热值与真实价值；但是该方法在计算过程中，忽略了天然气管道内的温度与压力因素对测量精度的影响，导致计算出的结果与实际值之前存在偏差。鉴于此，我们提出一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、本发明的目的在于提供一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

3、2.技术方案

4、本发明是通过以下技术方案实现的：

5、一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法，包括第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器、信号转换模块、信号处理模块与热值计算模块；

6、第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器均呈倾斜状安装在天然气管道内部，所述第一超声波发生器至第一超声波接收器距离与第二超声波发生器至第二超声波接收器的距离相等；

7、所述第一超声波发生器与第一超声波接收器耦接，所述第一超声波发生器的发射端朝向天然气流动方向；

8、所述第二超声波发生器与第二超声波接收器耦接，所述第二超声波发生器的发射端朝向与天然气流动相反的方向；

9、所述第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器内部均安装有压力传感器与温度传感器；

10、所述信号转换模块与第一超声波接收器、第二超声波接收器、压力传感器、温度传感器电连接，用于将物理信号转化为电信号；

11、所述信号处理模块与信号转换模块电连接，用于对接收到的电信号进行滤波、放大和噪声去除；

12、所述热值计算模块与信号处理模块电连接，用于根据电信号计算天然气热值。

13、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述第一超声波发生器包括：换能器外壳、声阻抗匹配层、圆柱形压电陶瓷元件、电路板以及背衬层。

14、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述第一超声波发生器与第二超声波发生器的工作频率不同。

15、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述第一超声波发生器的工作频率为200 khz±5 khz；所述第二超声波发生器的工作频率为40 khz±1 khz。

16、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，还包括热值检测模块与通信模块；

17、所述热值检测模块与热值计算模块电连接，被配置为：获取天然气内氢气浓度，并在氢气浓度异常时自动触发警报；

18、所述通信模块与热值检测模块电连接，被配置为：接收热值检测模块传输的数据，并传输至监控中心或云平台。

19、一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测方法包括以下步骤：

20、s1、通过第一超声波接收器、第二超声波接收器采集声波在天然气管道内顺流与逆流的时间，并计算管道内天然气的流速：

21、u=(l/t1-l/t2)/2cosθ；

22、其中，u为管道内天然气的流速；l为声波发生器与声波接收器之间的间距，l=d/sinθ，d为管道内径，θ为超声脉冲方向和天然气流速之间的夹角；t1为声波在管道内顺流时间，t2为声波在管道内逆流时间；

23、s2、采集第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器内的温度与压力，并对管道内天然气的流速进行修正；

24、u=λu；

25、其中，u为修正后的管道内天然气的流速，λ为修正系数，取决于第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器内的温度与压力；

26、s3、利用修正后管道内天然气的流速计算声波在静止天然气内的声速：

27、；

28、其中，c为声波在静止天然气内的声速；

29、s4、根据声速、浓度、比热容和分子量之间的关系，解算天然气内氢气与甲烷的浓度：

30、c2=rmixrt0/mmix；

31、rmix=(ρacpa+ρbcpb)/ (ρacva+ρbcvb)；

32、mmix=ρama+ρbmb；

33、；

34、其中，r是通用气体常数，t0为标准工况下管道内天然气的温度，ρa为天然气内氢气百分比浓度；ρb为天然气内甲烷百分比浓度；rmix为天然气的比热容比；cpa、cva和ma分别为氢气的定压比热、定容比热和分子量；cpb、cvb和mb分别为甲烷的定压比热、定容比热和分子量；

35、s5、根据天然气内氢气与甲烷的浓度计算天然气单位体积的热值：

36、k=qaρa+ qbρb：

37、其中，qa为氢气的热值、qb为甲烷的热值。

38、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，s2中，修正系数采用如下公式计算：

39、；

40、其中，α、β为常数，ti、pi为每个换能器测得的温度和压力，t、p为标准工况下气体的温度和压力。

41、作为本申请文件技术方案的一种可选方案，还包括：

42、s6、采用积分法对流经管道的天然气热值进行计算。

43、3.有益效果

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、1）本发明通过采集声波在天然气管道内顺流与逆流的时间差，利用时间差计算声波在天然气内的声速，并解算出天然气内氢气与甲烷的浓度，进而计算出单位体积天然气的热值。

46、2）本发明通过采集换能器组件的工作温度与压力，并对计算出的管道内天然气的流速进行修正，增加测量精度，避免温度压力变化，对天然气的热值计算精度造成不利的影响。

技术特征：

1.一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：包括第一超声波发生器（1）、第一超声波接收器（2）、第二超声波发生器（3）、第二超声波接收器（4）、信号转换模块、信号处理模块与热值计算模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：所述第一超声波发生器（1）包括：换能器外壳（101）、声阻抗匹配层（102）、圆柱形压电陶瓷元件（103）、电路板（104）以及背衬层（105）。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：所述第一超声波发生器（1）与第二超声波发生器（3）的工作频率不同。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：所述第一超声波发生器（1）的工作频率为200 khz±5 khz；所述第二超声波发生器（3）的工作频率为40 khz±1 khz。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：还包括热值检测模块与通信模块；

6.一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测方法，应用于如权利要求1-5任一所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测方法，其特征在于：s2中，修正系数采用如下公式计算：

8.根据权利要求6所述的一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测方法，其特征在于：还包括：

技术总结
本发明公开了一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置及方法，属于气体计量技术领域。一种基于压电换能器的掺氢天然气热值监测装置，包括第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器、信号转换模块、信号处理模块与热值计算模块；第一超声波发生器、第一超声波接收器、第二超声波发生器、第二超声波接收器均呈倾斜状安装在天然气管道内部，第一超声波发生器至第一超声波接收器距离与第二超声波发生器至第二超声波接收器的距离相等，通过采集声波在天然气管道内顺流与逆流的时间差，利用时间差计算声波在天然气内的声速，并解算出天然气内氢气与甲烷的浓度，进而计算出单位体积天然气的热值。

技术研发人员：孙琳斐,白梦圆,赵文浩,王洪山,刁鹏金
受保护的技术使用者：淄博宇海电子陶瓷有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/18