便攜式管道流體流速自動檢測裝置的設(shè)計.docx

1、便攜式管道流體流速自動檢測裝置的設(shè)計DesignofPortableAuto-detectionDeviceforFluidVelocityinPipeline（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電研完所，江蘇無錫214153）摘要：工業(yè)過程需要檢測不同管路中流體流速的大小。針對傳統(tǒng)的電磁流量計存在測量口徑固定、安裝不便的問題，提出一種基于超聲波管道流體流速傳感器檢測原理的便攜式管道流體流速自動檢測裝置，實現(xiàn)了對管道介質(zhì)流速的柔性測髭。便攜式現(xiàn)場主機可以與上位機通過RS-232通信接口相連，實現(xiàn)對多臺檢測設(shè)備流速遷錄的保存和數(shù)據(jù)的分析，尤其適用于一些不宜直接接觸測量的流體介質(zhì)的流速測置C關(guān)I詞：流體流速流

2、髭計超聲波便攜式自動檢測上位機串口通信RS232中圖分類號：TH81；TP274文獻標志碼：ADOI：10.16086/ki.issnlOOO-0380.201605024Abstract：Inindustrialprocesses,itisnecessarytodetectthefluidvelocityindifferentpipeline.Inviewoftheinsignificancyoftraditionalelectromagneticflowmeters,i.e.,thefixedmeasuringboreandinstallationinconvenience,thedete

3、ctionprincipleofakindofultrasonicfluidvelocitysensorforpipelineisputforward;andtheportableautomaticdetectiondeviceforpipelinefluidvelocityisdesignedtorealizetheflexiblemeasurementofpipelinemediumvelocity.Ulisportablehostuniton-sitecanbeconnectedIotheuppermachineviaRS232communicationinterface,inwhich

4、thevelocitydatafrommultipledetectiondevicescanberecorded,storedandanalyzed.Thedeviceisespeciallysuitableforsomeunfavorabledirectcontactmeasurementoffluidflowvelocitymeasurement.Keywords:FluidvelocityFlowmeterUltrasonicPortableAutomaticdetectionUppermachineSerialportcommunicationRS2320引言在工業(yè)過程中，管道中流體介

5、質(zhì)的流速測量和調(diào)節(jié)是一個很重要的控制參數(shù)指標。采用傳統(tǒng)流量計測量流體流速時，不同內(nèi)徑的管道必須對應(yīng)不同公稱直徑的流量計，安裝不便，并且增加了企業(yè)運行成本"F。特別是在一些特殊的如介質(zhì)有腐蝕性、不宜直接接觸等場合,采用傳統(tǒng)流量計測量流速更不方便"5。為了克服上述問題，基于超聲波原理，本文提出一種即裝即用的便攜式管道流體流速檢測裝置,在不切開管道的情況下，實現(xiàn)非接觸式柔性測量。紐扣式的測量傳感器便于安裝拆卸，在現(xiàn)場主機顯示屏或上位機上都可以設(shè)置管道的內(nèi)徑大小、管壁厚度、管道材質(zhì)參數(shù),可測量內(nèi)徑為DN15DN6000的管道內(nèi)流體流速。1超聲波流速傳感器的設(shè)計原理超聲波管道流體流速

6、傳感器由兩個可以接收和發(fā)生超聲波的傳感器組成。超聲波在流體介質(zhì)中傳播時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，順流方向的聲波傳播速度會增江芥牙產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新表金麥助項日（爆號：BY2013016）。修改秘收到日期：20】5-07-17。作者項亞南（1989-）,男，2015年畢業(yè)于江南大學(xué)控制科孕與工程專Jk,荻頊士學(xué)位；主要從亨檢澈技術(shù)及自動化裝置方向的研免。大,逆流方向聲波的傳播速度會減小。超聲波管道流體流速檢測原理如圖1所示。圖1流體流速檢測原理圖Fig.1Theprincipleoffluidvelocitydetection圖1中，編號1和2為超聲波傳感器和超聲波傳感器，編號3和4為待測管道的上下截面,4

7、點和B點為超聲波與管道內(nèi)截面的交點工為4點到8點的距離,N表示兩個傳感器從A點到B點的軸向距離為管道的內(nèi)徑,M為管道壁的厚度q為超聲波的入射角,胃為管道軸向與超聲波聲道之間的夾角,V為流體的流速。為了保證流速檢測的精度，檢測方法還考慮管道壁厚（M）。設(shè)£偵表示超聲波從傳感器1到4點在管壁中傳輸?shù)臅r間，口表示超聲波順流從4點到B點的傳輸時間，偵b表示超聲波從傳感器2到B點在管壁中傳輸?shù)臅r間，板a表示超聲波逆流從8點到彳點的傳輸管道材質(zhì)傳播速度C0/(m.8-')鑄鐵4572不鐫鋼5664銅管4394PVC2388玻璃5664衰1幾種常見超聲波管道材質(zhì)傳播速度Tab.1Thetr

8、ansferspeedofseveralcommonultrasonicpipematerials時間。如，上.2的定義原則相同。因為在管道壁中超聲波的傳播速度是保持不變的，且管壁厚度相同，于是有:M=知=Sf2。順流方向，超聲波從傳感器1到彳點在管壁中的傳播時間為：(1)_M勺，Cosina超聲波從4點到8點的傳播時間為:(5)因此，逆流方向傳播時間，即傳感器2到傳感器1的傳播時間為:圖2裝置總體硬件電路設(shè)計Fig.2TheoveraDhardwarecircuitdesignofdevice山=C+Vco曜因此,順流方向傳播時間即傳感器1到傳感器2的傳播時間為：匕,2=h.A+lB.2(3

9、)同樣地，逆流方向，超聲波從傳感器2到B點在管壁中的傳播時間為：_MSCosinaB點到4點的傳播時間為：_L=C-Vcosfi虹1=，2,8+B.A+(6)以上公式中:C為超聲波在靜止的流體介質(zhì)中的傳播速度;C。為超聲波在管壁中的傳播速度；a由傳感器設(shè)計時確定，取45。e=N2+D2(7)/vco陽=了(8)2便攜式檢測裝置的硬件電路設(shè)計基于超聲波的便攜式管道流體流速自動檢測裝置主要由便攜式現(xiàn)場主機單元、紐扣式的超聲波收發(fā)裝置、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、超聲波專用電纜線和上位機實時監(jiān)控單元構(gòu)成。便攜式超聲波管道流速檢測裝置可以單獨使用,當便攜式檢測設(shè)備通過串口通信模塊與上位機相連接時,可以與上位機通信

10、進行數(shù)據(jù)交互。便攜式管道流體流速檢測裝置的總體硬件電路設(shè)計如圖2所示。由上述各式,推導(dǎo)得到流速V的表達式為:+萬*2r.22N2M2M1,2Cosina/2,1Cosina/(9)式(9)與C無關(guān)，只與超聲波傳感器的安裝位置(決定N的大小)、管道的內(nèi)徑0、管道壁的厚度M、管道的材質(zhì)(決定C。的大小)有關(guān)。所以只需要在使用之前固定好傳感器的位置、設(shè)置好相應(yīng)的管道參數(shù)蹤沖驅(qū)動1一"5昧沖動2_-XL(N、M、D)和管道(通過選擇不同的材質(zhì)，例如常見的鑄鐵、不銹鋼、銅管、PVC、玻璃等)，便攜式主機單元可自動查出超聲波在其中的傳播速度。便攜式現(xiàn)場主機單元在計量超聲波順流方向傳播時間妃2和逆

11、流方向傳播時間弓后,可由式(9)計算得到流速。7圖3TDC-GP2外國電路連接圖Fig.3TheperipheralcircuitconnectionofTDC-GP2備S-NM直S05dssWUJS-ZWFire：INTNi§OS幾種常見的超聲波在不同管道材質(zhì)中的傳播速度如表1所示。圖3為TDC-GP2外圍電路連接圖。TDC-GP2芯片具有皮秒級別的高精度時間測量能力,TDC-GP2外接兩個晶振，其中4MHz的高速晶振用于時間測量和時鐘校準,32kHz的晶振用于芯片的內(nèi)部定時。Fi鳴和Fire2能墻觸發(fā)兩組高速脈沖激勵信號，用于激勵上下兩組超聲波收發(fā)裝置。Start引腳用于測量超聲

12、波計時開始的信號,Stop引腳用于接收測雖停止的信號。兩個超聲波收發(fā)單元各自發(fā)射和接收超聲波，通過專用的超聲波專用電纜線,將信號傳輸?shù)奖銛y式現(xiàn)場主機單元中。該收發(fā)裝置固定在管道上,用于實現(xiàn)管道流體流速的非接觸式測量。系統(tǒng)采用MAX232芯片實現(xiàn)串口通信的功能，其接線如圖4所示。圖4MAX232芯片串口通信接線圖Fig.4WiringdiagramofserialcommunicationofMAX232chip3流速檢測設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計流速檢測系統(tǒng)檢測流程如圖5所示。圖5系統(tǒng)檢測流程圖Fig.5Theflowchartofsystemdetection一種基于超聲波的便攜式管道流體流速自動檢測

13、裝置的應(yīng)用軟件設(shè)計，主要包括初始化程序，流速數(shù)據(jù)的處理運算，實時數(shù)據(jù)的顯示、通信處理，流速數(shù)據(jù)的保存和管理4大部分。 掃描初始化程序,包括從EEPROM中讀取運行參數(shù),A/D端口的初始化，串口通信方式的配置。 采集待檢流速的管道參數(shù):傳感器的安裝位置(N的大小)、管道的內(nèi)徑D、管壁厚度M、管道的材質(zhì)(60的大小)，超聲波在常見不同材質(zhì)中的流速見表1。 TDC-GP2測量得到超聲波順流方向傳播時間和逆流方向傳播時間。 在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定一個采樣次數(shù)常數(shù)M用于確定順流和逆流的采樣時間個數(shù)，均值濾波，求N次采樣時間的均值。由式(9)計算得到流速。 LCD液晶顯示模塊顯示實時的流速值。 當便攜式主機與上

14、位機通過串口RS-232相連時,上位機不僅可以向主機發(fā)出控制命令,設(shè)置管道的參數(shù),而且還可以記錄并保存流速數(shù)據(jù)。上位機可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示、流速曲線顯示和報警記錄4個功能，并且可以對多臺檢測設(shè)備同時在線監(jiān)控，實現(xiàn)對工程中的流速數(shù)據(jù)集中分析處理，以便進行數(shù)據(jù)溯源。4結(jié)束語本文提出一種超聲波管道流體流速傳感器的檢測原理,并設(shè)計出一種可實現(xiàn)對不同管徑大小的管道流體流速的便攜式檢測裝置。該流體流速檢測裝置柔性安裝，易于攜帶。現(xiàn)場的主機單元能夠自動檢測并顯示當前流速大小。當便攜式檢測設(shè)備與上位機相連時，可以實現(xiàn)對多臺設(shè)備檢測的流速數(shù)據(jù)的記錄保存和分析。便攜式管道流體流速檢測方法適用于一些不宜直

15、接接觸的流體介質(zhì),實現(xiàn)非接觸式的管道流體流速的自動檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻涂亞慶，蘇奮華,沈廷瞥，等.自適應(yīng)陷波器的科氏流M計值號頻率跟蹤方法J.重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2011,34(10)：147-152.1 王菊芬，孟浩龍，岳彬，等.新型渦輪流量計的理論模型J.力學(xué)與實踐,2014,36(1):64-68.2 何成.長距離礦漿管道輸送過程檢測與控制關(guān)裸技術(shù)的研究D.長沙:湖南大學(xué).2014.3 蔡富東.用于非接觸式表面測速的江河流量回歸計算模型J.信息技術(shù)與信息化,2014(1):90-93.4 李小亭，王小杰,方立德.等.新型內(nèi)外管差壓流量計特性研究J.儀器儀表學(xué)報,2012,3