時差法超聲波流量計

1、時差法超聲波流量計1引言超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認(rèn)為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。隨著超聲波流量計的技術(shù)的不斷成熟和用戶對它的逐漸認(rèn)可，超聲波流量計市場正以前所未有的發(fā)展速度向前發(fā)展。2超聲波流量計分類根據(jù)對信號檢測的原理，超聲波流量計可分為多普勒法、波束偏移法、噪聲發(fā)、相關(guān)法等。2.1多普勒法多普勒法是應(yīng)用聲學(xué)中多普勒原理，檢測反射聲波與發(fā)射聲波之間的頻率偏移量即可以測定流體的流動速度，進(jìn)而測出流體

2、流量。其工作原理如圖1所示。圖1多普勒法工作原理圖Fig.1TheoryofDopplerapproach管壁兩側(cè)分別裝有發(fā)射和接收兩個超聲波換能器,發(fā)射器向含有固體顆粒的流體中發(fā)射頻率為f0續(xù)超聲波。根據(jù)多普勒效應(yīng)，在中間相交區(qū)的頻率為f1,接收器收到的經(jīng)固體顆粒反射后的超聲波頻率為f2,當(dāng)粒子流速均為u時，其關(guān)系為:rusin:、一,f2=fl(1)=f0(1Cusin：2.2usin：):fo(1-)CC(fo-f2)C2f0sin多普勒法只能用來測量含有固體顆粒的流體，比如血液、污水、蒸汽等。2.2波束偏移法波束偏移法是根據(jù)測量由于流體流動而引起的超聲波束偏移角來確定流體流速的。其測量

3、原理如圖所示。的連(1)(2)2超聲濰射器圖2波束偏移法原理圖Fig.2Theoryofbeam-excursionapproach流速越大，偏移角越大，而兩接收器收到的信號強(qiáng)度差值也越大，因此測出兩接收器的信號強(qiáng)度差值可確定流體的流速。波束偏移法用于測量準(zhǔn)確度要求不高的高速流體流量測量。3時差法原理3.1時差法時差法超聲波流量計就是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速?；驹砣鐖D3所示。換能器A換能器b圖3時差法工作原理圖Fig.3Theoryoftransit-timemethod超聲波換能

4、器A、B是一對可輪流發(fā)射或接收超聲波脈沖的換能器。設(shè)超聲波信號在被測流體中的速度為C,順流從A到B時間為11,逆流從B到A時間為t2,外界傳輸延遲總時間為t0。則由幾何關(guān)系可ti(4)to由于C2>>v2sin2日，則2dvtan1C2_v2sin2f2dvtan1C2v=t2dtan1(6)3.2流速分布修正在上文的討論中，我們提到的流速勻，需根據(jù)流體力學(xué)原理加以修正。V都是理想狀態(tài)下的截面平均流速。在實際中,由于流速分布不均2nv2n12n:1流量修正系數(shù)K=2n12n其中n是和雷諾數(shù)（Re）相關(guān)的值。雷諾數(shù)（Re）一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，是流體流動狀態(tài)的一個判斷

5、依據(jù)。Re4.0x10A32.3X10A41.1X10A51.1X10A6>2.4X10A6n2.02.67.08.810.0表1n與Re關(guān)系Tab.1TherelationshipbetweennandRe3.3折射角0修正。角隨聲速C的變化而變化，而C又是流體溫度的函數(shù)。因此，必須對0角進(jìn)行自動跟蹤補(bǔ)償，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康??？赏ㄟ^修正C的大小從而實現(xiàn)對。修正，下文通過算法消去C,從而避免修正問題。4總體設(shè)計4.1換能器安裝對于時差法流量計來說，通常有三種不同安裝形式：平行式、Z型、£時平行式圖4換能器安裝位置Fig.4Theinstallationofultrasonic

6、transducer本設(shè)計中，我們的換能器將采用V字型安裝，這樣既可以提高系統(tǒng)的分辨率、方便安裝，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法又可以增加路徑長度、減少流速斷面分布不均勻的誤差。T1V型Fig.5Acousticprincipium由圖5及前面討論可知Cvsin2d/cos2d/cos12(8)(9)2d(t2-ti)tIt2sin2u式(8)中兩式相減消去C,得到式(4-3),從而避免了溫度影響問題。由于超聲波速度遠(yuǎn)大于流速，一般t很小，對系統(tǒng)時鐘要求較高，難以實現(xiàn)。從而采用多脈沖計數(shù)法提高測量精度，降低硬件要求。具體原理如圖6所示。a瞰諒跟射b逆國發(fā)射圖6多脈沖法原理圖Fig.6Mult

7、i-beamsofultrasonic取足夠多次數(shù)N次以后的順逆流時間上和1.。由式(11)得到時間差toNtstji)NLi1N'tr=t0(i)Nt2(10)i1由于外界傳輸時間t2=t1,所以t=(t2-t1)=rns(11)5硬件和軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)硬件框圖主要由兩部分組成：時差信號采集部分和信號處理及人機(jī)接口部分。講射電路圖7系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7Hardwarestructureofthesystem從單片機(jī)是信號采集及控制電路的核心，它既要接收主單片機(jī)發(fā)來的命令，使測量模塊的各部分協(xié)調(diào)ATME公司的工作，同時又要向主單片機(jī)回送測量數(shù)據(jù)和該部分的狀態(tài)信息?？紤]到性價比，

8、我們選擇了AT89C51,它是一種低功耗、高性能CMOS航單片機(jī)，其指令系統(tǒng)與8051完全兼容。5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計圖8主單片機(jī)程序框圖Fig.8FlowchartofthemainMCU主、從單片機(jī)程序設(shè)計圖9從單片機(jī)程序框圖Fig.9FlowchartoftheviceMCU6結(jié)論超聲波流量計由于其獨特的優(yōu)點在工業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用，但由于其自身特性還存在精度不高、易受影響、可靠性較差等缺點。本文在傳統(tǒng)測量方式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化計算方式，設(shè)計了一種基于多脈沖的時差法流量計，對具體算法改進(jìn)、硬件平臺和軟件實現(xiàn)進(jìn)行了說明。經(jīng)過部分實驗性驗證，證明了此方法的可行性，達(dá)到設(shè)計要求參考文獻(xiàn)：1蘭純純

9、.時差法超聲波流量計的研究D.重慶:重慶大學(xué)，20062李志軍，趙剛，趙連環(huán)，王慶山.基于DSP的時差法氣體超聲波流量計的設(shè)計J.儀表技術(shù)與傳感器,2014,(3)3王清偉，邱儉軍.一種提高超聲波流量計測量精度的補(bǔ)償算法J.聲學(xué)與電子工程,2009,(3)4牛朋恩，薄秀江，程浩.時差法超聲波流量計原理及應(yīng)用案例J.自動化應(yīng)用,2011,(6)5胡天浩.淺談超聲波流量計J.油氣井測試,2003,(4)6陳潔，陳玉紅.單片機(jī)控制技術(shù)快速入門M.北京，中國電力出版社,20157霍曉麗，劉云朋.單片機(jī)原理與應(yīng)用：C語言版M.北京，清華大學(xué)出版社,20158王池.我國流量計量發(fā)展現(xiàn)狀J.現(xiàn)代計量測試，2

10、000,(2)9李芳，馮永葆等.超聲波流量檢測誤差的流體力學(xué)修正研究J.機(jī)床與液壓,2005,(8)10胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社.200111王幸之，鐘愛琴等.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.200412 T.T.YehandP.I.Espina,AnIntelligentUltrasonicFlowMeterforImprovedFlowMeasurementandFlowCalibrationFacilityJ.IEEEInstrumentationandMeasurementTechnologyConference,2001,(23)13 BrassierP,HostenB,VulovicF.High-frequencytransducersandcorrelationmethodtoenhanceultrasonicgasflowmeteringJ.FlowMeasurementandInstrumentation,2001,(12)14鮑敏.影響氣體超聲波流量計計量精度的主要因素研究D.杭州：浙江大學(xué),200415梁晉文.誤差理論與數(shù)據(jù)處理M.北京:中國計量出版社，200116沙定國.誤差分析與測量不確定度評定M.北京:中國計量出版社,2003