（声学专业论文）超声波高精度微压差测量及应用.pdf

摘要 摘要 微压差的精确测量在工业生产中具有重要的意义。随着科技的发展和生产 力的提高，对于微压差测量精度的要求也越来越高，因此研制高精度的微压差 测量仪已经成为一种趋势。 本文在深入了解国内外微压差测量和应用的基础上，利用超声检测技术，采 用随机多次测量后平均的时标脉冲计数法来精确测量声时，进而测得压力 的微小变化，并将其应用于气体管道内流场分布的测量中。 本文的工作主要分以下几个方面： ( 1 ) 从理论上阐述微压差测量原理，并分析了产生系统测量误差的原因及 各种影响因素，从理论上提出了提高测量精度的有效方法，并将其应用于超声 波微压差测量的实际应用之中。 ( 2 ) 为了提高测量精度，在声时测量方面，采用了基于“随机多次测量后 平均”的时标脉冲计数法，硬件方面采用过零电平检测，测幅电路等方法。还 采用了利用标准声时计算温度的方法，来监测环境温度对仪器测量的影响。 ( 3 ) 对超声波微压差计做了大量的精度和稳定性实验，并对实验结果进行 了总结、分析。 ( 4 ) 简要分析了采用微压差方法测量管道中气体流场分布的原理，并利用 毕托管及超声波微压差计，采用截面一速度法，对管道中气体流场分布进行了测 量。 最后，对进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：超声波、微压差、气体流量、流场分布 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v i t y , t h em e a s u r e m e n to fs l i g h tp r e s s u r e d i f f e r e n c eb e c o m e sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，a n dt h ea c c u r a c y s t u d yo ft h em e a s u r e m e mi sa nu r g e n tn e e d u l t r a s o n i cw a v ei su s e dt om e a s u r et h es o u n dp r o p a g a t i o nt i m e ，a f t e rc a l c u l a t i n g t h es l i g h t p r e s s u r ed i f f e r e n c ei sg a i n e d t h ea u t h o ra p p l i e st h i sm e t h o d t ot h e m e a s u r e m e mo ft h eg a sf l o wp r o f i l ei nt h et u b ea n dg e t p e r f e c tr e s u l t 。i l l i st h e s i sc o n s i s t so ff o u rp a r t s ： ( 1 ) e x p o u n d i n g t h e p r i n c i p l e o fu l t r a s o n i c s l i g h tp r e s s u r e d i f f e r e n c e m e a s u r e m e n ti nl o g i c a l ，a l le f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h et e s t i n ga c c u r a c yi su s e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es y s t e me r r o r , a n dt h i sm e t h o di sa p p l i e d t ot h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ( 2 ) i ns o f t w a r e ，t h en e wm e t h o di su s e dt om e a s u r et h es o u n dp r o p a g a t i o nt i m e t oi m p r o v et h ea c c u r a c y i nh a r d w a r e ，z e r o - c r o s s i n gv o l t a g ea n da m p l i f i e rh a v eb e e n a n a l y z e dn u m e r i c a l l y w ea l s ou s et h es o u n dp r o p a g a t i o nt i m et oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r et oi n s p e c ti t si n f l u e n c et ot h em e a s u r e m e n t ( 3 ) 1 1 1 ea u t h o rd o e sp l e n t yo fe x p e r i m e n t st ot e s ta n dc e r t i f yt h ea c c u r a c y 。a n d s t a b i l i t yo ft h eu l t r a s o n i cs l i g h tp r e s s u r ed i f f e r e n c em e t e r , a l lt h et e s t i n gr e s u l t sa r e a n a l y z e da n dg e n e r a l i z e d w ea l s ou s et h es o u n dp r o p a g a t i o nt i m et oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r et oi n s p e c ti t si n f l u e n c et ot h em e a s u r e m e n to fm e t e r ( 4 ) t h eu l t r a s o n i cs l i g h tp r e s s u r ed i f f e r e n c em e t e rt o g e t h e rw i t hp i t o tt u b ea r e u s e dt om e a s u r et h ef l o wp r o f i l ei nt h et u b e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sf l o wp r o f i l ei n t h et u b ei sm e a s u r e db ys e c t i o n v e l o c i t ym e t h o d s i nt h ee n d t h ea u t h o ru s e ss o m ew o r d st od i s c u s st h en e x ts t e po ft h i s e x p e r i m e n t sa n d f u r t h e rw o r kw h i c hs h o u l db ed o n e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，s l i g h tp r e s s u r ed i f f e r e n c e ，g a sf l o w , f l o wp r o f i l e u 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手 段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电子版：在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 钆磊小如 yg 年易月p 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 砂抽錾五y p g 年月为e t 第l 章概述 第1 章概述 1 1 概述 微压差的精确测量在工业生产中具有重要的意义，随着科技的发展及生产 力的提高，对于微压差测量精度的要求也越来越高，传统的微压差测量方法由 于普遍存在着测量精度不高，量程小等问题，已很难满足生产中的需要，因此 研制高精度的微压差测量仪已经成为一种趋势。 众所周知，超声波是不可听声，具有频率高，指向性好，能量强等特点， 因而得以广泛利用。利用超声波测量微压差通常采用时差法，近年来，超声波 微压差测量的原理没有多大变化，但是由于新材料，新技术的应用，不仅测量 精度有了大幅的提高，而且应用范围也大为扩展，被认为是目i j f 最有前途的测 量方法之一。 1 2 微压差的测量研究现状和发展方向 1 2 1 微压差测量研究现状 微压差的测量，是伴随着压力计量的不断发展而发展起来的，近5 0 年来， 压力仪表的结构由简单到复杂，由机械式到电气式，其测量范围也由中、低压 向微压和超高压发展。1 9 6 3 年，我国试制成功工作基准微压计；1 9 8 7 年，建成 国家基准微压计，在o , - - 一2 5 0 0 p a 测量范围内，精度达到0 1 p a 。随着科学技术 的不断发展，新材料和新生产工艺的不断发展，特别是超导材料的发展和应用， 使得微压差测量技术及测量仪器不断涌现【l 】。 常用的微压差的测量方法主要有以下几种【2 儿3 】： ( 1 ) 液柱式：以倾斜式微压差计和补偿式微压计为代表，这两种亦作为国 家计量标准【4 儿5 j 在使用。原理是利用液柱高度的变化，来获得压差的变化，它构 造简单、使用方便、测量准确度高，但耐压程度差、测量范围小、容易破碎， 其液体的平衡和仪器的手动调整亦很费时，而且容易受人的视觉偏差等人为因 素的影响。 ( 2 ) 弹性式：代表是膜盒式微压差计，测压原理是根据虎克定律，厂= 缸。 第l 章概述 弹性敏感元件在压强的作用下发生弹性形变，其形变的大小与作用于弹簧的压 力成一定的线性关系，通过传动放大装置用指针或其它显示装置显出被测压强 或差压。 ( 3 ) 电测式：以电容式微压差计为代表，利用金属或半导体的物理特性直 接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等将弹 性体的形变转换为电压、电流信号输出。虽然测量的精度较高，但是量程小， 而且不是压差的绝对测量，需要经常标定。 ( 4 ) 激光干涉法：根据光的干涉原理，使激光束产生明暗相间的干涉条纹， 由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位 移量的检测，进而算出压差。由于激光的波长极短，特别是激光的单色性好， 其波长值很准确，因此测量精度高，但是这种方法只适用于液体微压差的测量。 目前，我国的微压差测量技术已经进入了世界先进行列，利用各种方法已 经研制出多种微压差计，并根据其不同的特性适用于不同的应用场合。 1 2 2 微压差测量的发展方向 未来，微压差测量技术的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 测量方法不断推陈出新。目前所有的微压差测量方法，没有哪一种是 完美无缺的，都需完善和改进。需要对被测试的对象进行全面了解，制定合理 的方案，以满足不同的测量需求。 ( 2 ) 微压差测量仪进一步向体积小、重量轻、测量范围广、测压速度快等 方向发展。为了满足更高的工业自动化测量要求，微压差测量技术也将在实现 数据自动记录、处理的基础上，对生产过程进行自动控制、调节。 ( 3 ) 提高测量方法和仪表的适应能力，如在高温、高压、振动等情况下， 测量的精度和稳定性不发生改变等。 ( 4 ) 测量成本低，损耗小，使用寿命长。 1 3 微压差测量的应用现状 在工业生产、国防建设及科学研究等领域，凡是利用液体、气体、蒸汽等 介质作为动力、加热、密封试验等，都反映出“压力 这个物理量，因此，需 要使用能反映压力大小和变化的仪器仪表，有些甚至来显示微小压力的变化【6 1 。 微压差的测量在工业生产中应用相对广泛，如在气体流速流量测量、液体 2 第1 章概述 的位移测量、矿井通风阻力测量、工业产品及仪器密封性能检测及热力水利系 统控制中都起到十分重要的作用。 1 4 流场分布测量方法 在管道气体的传输过程中，从其本身的工艺要求出发，在管道中都必须安装 形形色色的管配件( 如阀门、弯头、过滤器等) 。由于它们的形式及组合方式极 多，所引起的管内流速分布也千变万化，难以估计。美国流量测量工程手册的 作者r 。w m i l l e r 认为：“流速分布是影响流量准确的主要因素，而工业现场的 配件种类繁多，其流动情况十分复杂，不仅难以描述，也不易在实验室模拟它 们”。由于绝大多数流量仪表都与流速分布有关，它校验时流体的流场分布应与 现场实用时的流场一致，校验的系数才有意义。所以，了解管道中流场分布的 情况，对于流量的计算和流量仪表的校验有着重要的意义。 近些年来，测量流场分布的方法主要有以下几种【7 】- 【1 0 l ： ( 1 ) 热线流速计法：需要把测量探头插入管道内的流体中，利用传热原 理，以热电阻为敏感元件，当流速高时将带走更多的热量，降低了热电阻温度， 改变了电阻值，通过电阻值的变化了解被测点的流速大小。其最大特点是可测 低于5 r r d s 的流速，但是气体温度一般要低于2 0 0 ，响应时间在1 秒以上。 ( 2 ) 微压差法：目前流行的差压式均速管流量计就是利用微压差原理设计 而成的，即通过测量管道中各点的动压和静压来算得该点的流速。优点是工作 可靠，可承受较高的温度，但价格较贵 ( 3 ) c f d 软件模拟法：c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流 体动力学) 的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展起来 的。c f d 用计算机模拟仿真实际的流体流动情况，相当于”虚拟”地在计算机里做 实验。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的 流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。由于现场流场分 布情况还受管道的内壁粗糙度，流量调节阀，法兰等因素的影响，所以它仅可 以作为实验前期的数值模拟和试验后期的结论比较。 ( 4 ) 计算机图像分析测量流场技术( p i v 法) ：该法的基本原理是在流体内 放入一定量的、密度与流体相同的示踪粒子，在由激光形成的片光源下用高分 辨率的摄像机摄得管道某- - g j j 面的情况，再由计算机处理，最后得到剖面上流 3 第l 章概述 速分布信息，测量速度快、准确。缺点是示踪粒子的选择要求非常严格，适用 范围相对较窄。 除了上述介绍的之外，还有照相法、激光多普勒测速法等，还有新的方法 不断涌现，之所以出现如此多的测量方法，是因为各种方法都有其特有的优点 和不可避免的缺点。在现场的实际测量中，可以根据测试现场的条件和测试物 质选择合理的、有效的测量方法。 1 5 本文主要内容 1 5 1 理论部分 ( 1 ) 从理论上阐述微压差测量的原理，并分析了产生系统测量误差的原因 及影响测量的各种因素，从理论上提出了提高测量精度的有效方法，并将其应 用于超声波微压差的实际测量之中。 ( 2 ) 为了提高测量精度，在声时测量方面，采用了基于“随机多次测量后 平均 的时标脉冲计数法，还采用了利用标准声时计算温度的方法，来监测环 境温度对仪器测量的影响。 ( 3 ) 硬件方面，换能器安装方式采用自发自收方式，利用电子开关实现多 路换能器共用一个放大器，以及采用过零电平检测、测幅电路等方法，提高仪 器测量的稳定性，减小测量误差。 ( 4 ) 分析了利用微压差方法测量管道内流场分布的原理，为微压差测量在 流场分布测量中的应用提供理论支持与方法。 1 5 2 实验部分 ( 1 ) 对超声波微压差计做了大量的精度和稳定性实验，总结、分析了影响 其测量精度和稳定性的因素及影响大小；从实验角度研究了温度及压力等因素 对微压差测量的影响，证实了理论分析的结果。 ( 2 ) 利用毕托管及超声波微压差计，采用截面一速度法，对管道中气体流场 分布进行了测量，并对实验结果进行了分析。 4 第2 章高精度微压差测量原理及方法 第2 章高精度微压差测量原理及方法 超声波微压差测量已经广泛地应用于众多的工业领域中，如气体流速、流 量测量，液体的位移测量，矿井通风阻力测量，工业产品及仪器密封性能检测， 热力水利系统控制等。 本章介绍利用超声波测量微压差的原理，并对这种测量方法的测量精度及 各种影响因素做全面的分析讨论。 2 1 超声波微压差测量基本原理 图2 1 为超声波测量微压差原理图： 换能器3 气体压力p l 气体压力p 2 换能器1换能器2 图2 1 超卢波微压差测量原理图 图中，底部为长方形不锈钢容器，对边平行，上面安放两根材料、直径相 同的管子组成u 型管，u 型管底部和不锈钢容器连通。 注入液体后，液体可以在两根管子和底部容器间自由流动。当系统压力平 衡时，如果两根管子内液面上方的气体压力相同，则管子内的液面高度厶、三：将 保持相同，如果两根管子内液面上方的气体压力不同，则管子内的液面高度厶、 5 第2 章高精度微压差测量原理及方法 厶也将不同。 在底部不锈钢容器的一侧和底面分别安装有3 个特性相同的超声换能器， 超声换能器信号的发射和接收均采用自发自收方式，分别用于测量超声波经两 个水柱液面4 且、彳：b ：和底部容器壁面a ，岛反射所需的声时，设测得的声时分 别为 、t 2 、f 3 ，其中，。、，2 分别为仪器测得的换能器1 、2 发射的超声信号经液 面a ，b l 、a ：b 2 反射后接收所用的声时，r l 、f ：包含了由于电缆长度、换能器壁 厚、晶片、电路、换能器粘接层厚度等所引起的声延时死和f ，。由于换能器l 和换能器2 测量声时时，上述条件几乎完全相同，所以可以认为： r l = f 2 ( 2 1 ) 则： f l - t 2 = ( f l f i ) 一0 2 一f 2 ) ( 2 2 ) 即换能器1 ，2 所测量的声时差值与是否扣除声延时无关。厶是换能器3 发射的 超声波信号经对面壁面反射后接收测量得到的声时，为了得到超声波在液体中 传播距离2 厶所用的时间，乞必须扣除了声延时吒，乃的测量计算方法将在下一 小节中说明。 假设系统中液体的密度，压强，温度等参数是一致的，则三个换能器所发 射声波的声速是一致的，记为1 ，则可计算得到两液柱液面高差幽= ，一厶为： 幽：v 尘玉：三生尘玉：墨i 坠二生( 2 3 ) 2 f 3 一f 3 2 ，3 一f 3 进而算得压差p 1 2 = p l p 2 为： p 1 2 ：, o g , s j l ：, 。g l 3 ( 1 2 - t 1 ) t 3 一f 3 ( 2 4 ) 其中，p ，：为两液柱的压差，即气体压差，p 为液体密度，g 为重力加速度。 2 2 影响测量精度的因素及解决方法 上面介绍了超声波微压差测量的原理，下面从实际应用的角度出发，分析 影响超声波微压差测量的各种因素及提高精度的方法。 ( 1 ) 换能器种类与安装方式【l i 】 根据声时的测量方式，超声信号的发射、接收可采用自发自收的单换能器 方式或一发一收的双换能器方式。 在本系统的设计中，采用了自发自收的换能器方式，主要基于下面二方面 6 第2 章高精度微压差测量原理及方法 的考虑： 电缆少，晶片少，安装方便，节约成本； 采用自发自收方式，更有利于提高液位差或压差的测量精度。图2 2 ( a ) 、 ( b ) 分别为使用自发自收和一发一收的换能器安装示意图，从图中可以看出：对 于一发一收换能器安装方式，当液位高度为l 时，超声波的实际传播路程即声 程为2 l + 址，其中： 三：2 三1 - c o s o( 2 5 ) c o s 矽 相对应的声时增加量，为： “：2 l 1 - c o s 0 一1( 2 6 ) c o s 秒 1 ， jl j lj l r1r 1p ll 探头 ( a ) 自发自牧 探头 ( b ) 一发一收 图2 2 不同换能器安装方式示意图 由于系统中使用自发自收换能器，所以可以有效地避免这一误差的造成， 提高测量精度。 另外，换能器( 即压电陶瓷晶片) 在粘贴中与不锈钢表面要尽量保持平行， 粘贴面积要尽量大，以保证声波信号好、强度大，从而减小声时测量误差。在 粘贴时可以同时通过示波器观察超声回波信号的强弱来判断粘贴的好坏。图 2 3 ( a ) 、( b ) 分别为粘贴过程中观测到的二个超声回波信号图，可以明显看出， 图( b ) 中的回波信号强度大，说明此时换能器的粘贴性能好。 7 第2 章高精度微压差测量原理及方法 图2 3 换能器粘贴平行度比较图 ( b ) 在换能器的选择上，要根据整个系统的性能来选择，换能器的直径，频率 以及灵敏度都需要仔细斟酌。 ( 2 ) 声程厶 引起声程厶误差的原因有： 换能器安装时产生的误差； 底座标准距离的测量误差，从式( 2 3 ) 可以看出厶是已知量，需要在实 验前精确测量，本文中厶用三维坐标仪测量，精确度为o 1i lm ； 在现场的测量中，由于温度变化及材料热胀冷缩效应引起的距离误差。 声程厶的误差与其造成的压差测量误差成线性关系： 垃：堕 ( 2 7 ) p 1 23 其中，引起的误差为系统误差，可以通过采用有效的安装方法和精确的 测量工具，确保换能器安装的准确定位以及厶的精确测量而减小；引起的误 差一般较小，可以忽略不计。 ( 3 ) 超声波声时测量误差 从公式( 2 4 ) 可以看出，要精确地测量压差的变化，声时的精确测量非常 关键。 声时是描述声波传播的重要参数，声时的测量方法有多种，如脉冲叠加法， 回鸣法，数字平均法【l2 1 等，为了提高测量精度，本文采用“随机多次测量后平 均 的测时方法【1 3 1 【1 钔，它有电路简单，灵敏度、精度高，抗干扰能力强，能实 8 第2 章高精度微压差测量原理及方法 现在线连续测量等优点。 其原理是采用硬件实现的方法，通过测量超声波从发射到接收时间间隔内 通过的频率已知的高频晶振时标脉冲的个数，计算得到发射和接收之间的时间 间隔。其原理如下图2 4 所示： ( 1 ) 厂 发射 臼) 厂 裂譬电路 ii “， 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时标信号 $ ， 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 i艾数器输 图2 4 时标脉冲计数法声时测量原理图 图中，对于接收信号到达瞬刻的判断，采用的不是接收信号中首波到达的 瞬刻，而是次波到达的瞬刻，这是因为在接收信号中首波的幅度一般相对较小， 用首波到达时刻来测量声时的话精度相对较差。 另外，在接收信号到达瞬刻的判断时，采用了过零电平检测技术，这样当 接收信号幅度变化时，过零电平的瞬刻是不变的，提高了声时测量精度。 采用时标脉冲计数法，可以实现声时的快速测量。同时，通过采用“随机 多次测量后平均 的方法，可以大大提高声时的测量精度。 “随机多次测量后平均 方法的基本原理是时标信号的起始点和计时门信 号的起始点之间是随机的，不是同步的，下面简要阐述其原理： 在用时标信号表示时间宽度的过程中，时标信号起始点与计时门信号起始 点之间的关系有两种：( a ) 同步、( b ) 随机，如图2 5 ( a ) 、 ( b ) 所示： 9 第2 章高精度微压差测量原理及方法 ( b ) 时标信号与计时门信号不同步( 随机) 图2 5 时标信号与计时门信号关系图 计时门信号 时标信号 计数器输 入 时标信号 计数器输 入 从图中可以看出，如果时标信号和计时门信号同步，那么只要计时门信号 宽度不变，则无论多少次测量，通过计数门的时标个数刀是不变的，其测时精度 为一个时标宽度丁。而如果时标信号和计时门信号不同步，是随机的，那么对于 每一次测量，通过计时门的时标个数也是随机的，可能为甩或n + l 。n 或n + l 出 现的概率决定于实际的时间宽度，。当进行次重复测量，且斗0 0 时，其平均 值： ， ；= t ，n - - - t ( 2 8 ) i = 1 即采用“随机多次测量后平均 的方法，只要平均次数足够多， 就可以逼近实际的声时f 。 “随机多次测量声时后平均 方法的测时精度分析： 在用随机方法进行测时时，整数个数的时标通过计时门的计数，数目不会 有误差，误差就发生在发射和接收的瞬刻。假设发射正好发生在时标中心位置 时的误差为0 ，即把时标x 轴的原点定在时标的中心位置上，如图2 6 所示： 1 0 一 岫 一 一 一 一 皿 一 1 l删i止 一 脚 皿 一 皿 删 一 皿 删 一 皿 皿 一 衄 心 一 皿 删 一 皿 心 一 皿 喜| 一 皿 皿 一n i u n i 比 rj l n且i n 一皿 一 一 皿 一 n j u n j u n i u n u n i u n i u n i u n i u n u n i u - n i u n i u iniuil 一 步 皿 珊同吖址帅删 口丐 皿 皿 信 皿 皿 门 皿 皿 时 皿 皿 驸 皿 删 导 皿 皿 售 皿 皿 标 皿 皿 时 皿 皿 曲 皿 咀(1上u n i u n j ulniuii n i u n i u - n i u _l呷 第2 章高精度微瓜差测量原理及方法 图2 6 时标信号坐标图 图中，f 为时标信号周期。 那么发射瞬刻发生在时标轴上的位置x 的大小，就是测量的误差。由于发射 信号与时标不同步，是随机的，所以发射瞬刻的发生位置也是随机的，均匀分 布的，在一寺到+ 寺整个时段中出现的几率是相同的，这样初始瞬刻发生的平均 方差为： 叫f ： ( 2 9 ) 一厶f 1 2 同样，声波到达瞬刻的平均方差也是r 2 1 2 。所以一次时间间隔测量的平均 平方误差为f 2 6 ，按定义多次测量时间间隔后平均，得到的时间间隔平均值的 标准误差为： 醴：匝4 n ( r 2 6 ) ：三( 2 1 0 ) nn 一6 n 本文中，采用2 5 m h z 的时标信号频率，即r 为4 0 瑚，如采用6 4 0 0 次测量的平均， 即n = 6 4 0 0 ，那么标准误差只有0 2 n s ，比4 0 n s 提高了2 0 0 倍，相当于5 0 0 0 m h z 计数器的计算结果。 影响时标脉冲计数法声时测量误差的主要因素有： 高频晶振时标频率变化引起的测时误差，这一误差的消除或降低，可通过 采用高精度、低漂移、低温漂的晶振来实现； 由电路、换能器、电缆等产生的声信号延迟引起的测时误差，由于所测 到的声时还包括了各种延时，如超声波在电缆线、电路、压电陶瓷晶片、换能 器壁厚中传播引起的延时等，因此，只有将这些延迟时间的总和出扣除，才能得 到准确的声波在媒质中传播的声时。 接收信号过零检测位置时检测位置的漂移引起的测时误差。 厂b 第2 章高精度微压差测量原理及方法 对于声延时& ，可以通过实验的方法来测得，并在实际测量中予以扣除， 方法如下： 测量超声发射信号到第一次回波之间的时间间隔“。： “l = ，+ 出 ( 2 1 1 ) 式中r ，为超声波在媒质中来回传播距离l 时所用的声时。 测量第一次回波到第二次回波之间的时间间隔f l ，： t 1 2 = t 工 ( 2 1 2 ) 则声延时： a t = ，o l 一，1 2 ( 2 1 3 ) 由于该延迟时间在各次测量中基本上不改变，所以只需要在测得的实际时 间中将其减去。对其他频率的声波可以用同样方法测出延迟时间。每个换能器 由于壁厚、电缆长度、电路和频率的不同都应分别测量。对于同一台仪器，电 缆及样品池的壁厚是不变的，声延时理论上来说是个定值，通过测量这个值并 予以扣除，可以帮助提高仪器的精度 由于声时的测量精度直接影响到压差的测量精度，因此，为了进一步提高 测时精度，除了采用检测次波到达瞬刻及“随机多次测量后平均”的方法，还 在仪器的测时电路及软件中采用了其它的一系列技术措施： 采用高性能的发射管及低噪声放大器，提高发射、接收能力，使接收信 号尽可能饱和。 尽可能真正的过零电平检测，检测接收回波中次波周期的过零电平时刻， 使信号幅度变化引起的影响最小。 尽可能高的高频时标频率和声波频率。 软件自动剔除因媒质内杂质或电噪声干扰等引起的声时变化过大的错误 数据，只用正确的数据进行计算。 通过上述技术措施，可以进一步提高仪器的抗干扰性能及声时测量精度。 由式( 2 4 ) 可知，声时t 。、f 2 、，。测量误差与其造成的压差测量误差分别 为线性关系： 鲤：堕 ( 2 1 4 ) p 1 2，l 1 2 第2 章高精度微压差测量原理及方法 鲤：堕 p 1 2f 2 丝堕：堕 p 1 2，3 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 4 ) 温度的影响 温度对压差测量的影响主要体现在温度对密度的影响及温度对声速( 声时) 测量的影响上： 温度对密度的影响 根据公式( 2 4 ) ： a 2 = p g , , h ， 可以看出，液体密度p 的误差与其造成的压差测量误差成线性关系： 垡生：a p ( 2 1 7 ) a 2p 本文中，采用的液体为纯水，有关纯水的密度与温度的关系可以根据1 9 9 0 年国际温标纯水密度表得到( 见附录a ) 。 为了测得纯水的温度，进而得到纯水的密度，本文中采用了超声测温的方 法，即通过测量超声波在标准声程厶中的传播时间r ，一f ，来计算得到液体的温度 r 。 由于利用这样方法测得的温度实际上是液体底部的温度丁，查表获得的密度 也是液体底部的密度，因此，如果液体在上面的二个液柱方向上存在纵向的温度 梯度，则还是会引起一定的压差测量误差。 温度对声速的影响 在上面的介绍中提到，计算高差办时，认为液体内的声速v 是处处一致的， 可以通过2 厶( f ，一毛) 来得到，而实际上，由于环境温度变化的影响及底部不锈 钢容器和上面二根管子材质不同导致的热传导性能不同，可能存在高度方向的 温度分布，即声速v l ，2 v 3 ，而m ，屹也是测得的声波在f l - f l ，f 2 一f 2 时间内 通过2 厶，2 厶时的声速的平均值，即： 1 ，= l v ，( 厶) 班， ( i = 1 ，2 ) ( 2 1 8 ) z l t ：i 可见，温度对声速或声时测量的影响是比较复杂的，需要在仪器的研制过 程中想办法克服。 第2 章高精度微乐差测量原理及方法 目前，为了方便使用，我们已经通过大量实验，验证并完成了对附录a ( 1 9 9 0 国际温标纯水声速表) 的曲线拟合，其拟合方程为【1 5 】。 1 s l ： 弘厂( ，) = k , t = o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) ( 2 1 9 ) 式中：k o = + 1 4 0 2 3 8 7 4 4 e + 3 ，墨= + 5 0 3 8 3 5 0 2 7 e + 0 ，也一5 811 4 2 2 9 0 e 一2 ， 屯2 + 3 3 4 5 5 8 7 7 6 e 一4 ，包2 1 4 8 1 5 0 0 4 0 e 一6 ，屯= + 3 1 6 0 8 1 8 8 5 e 一9 。 图2 71 9 9 0 国际温标温度一声速关系图 上图2 7 就是纯水中声速一温度关系曲线，由图可见，声速和温度不是线性 变化的关系。温度在7 0 一8 0 之间，温度变化对声速的影响最小，所以该温度 为最理想的实验条件，但是对于仪器的应用，绝大部分都是在室温条件下进行 的，温度变化对仪器测量的影响还是不可避免的。 由于实验环境温度的不同，温度的变化对仪器的测量影响或大或小，但是 可以确定的是影响是肯定存在的。在仪器系统的设计时就已经考虑到这点，为 了降低温度变化对仪器测量的影响，采取了大量的保温措施，如给高、低液柱 体外加个保温壳，并在里边填充发泡剂，同时将整个测量系统置于封闭箱体中， 1 4 第2 章岛精度微胜差测量原理及方法 以便尽量减小外界温度的变化对仪器测量的影响。实验证明，以上采取的措施 是很有成效的，有效地控制了液体温度的变化，解决了外部温度对系统测量的 影响。 ( 5 ) 系统水平的调整 在实际应用中，由于测量装置放置平面的不平整等，导致测量装置底部换 能器无法和水柱液面保持平行，这直接影响到超声接收信号的强度及声时的测 量准确度，为此，在测量装置底部容器的底座上分别安装有三个平衡螺母用于 调节水平，分别位于底座一边的两个角部和另一边的中心位置，如图2 8 所示： i 2 图2 8 装置底座水平调节示意图 图中，三个水平调节螺母呈等边三角形分布，通过分别调节三个平衡螺母，就 可以使换能器和水柱液面保持平行。 为了知道什么情况下已经调节到最佳平衡状态，通常采用的方法是水泡法， 本文中采用一种新的平衡调节方法，即超声波回波信号幅度测量法。 上文中提到，换能器和反射液面的平行度对于回波信号的强弱有影响，测 量装置底部换能器与水柱液面的平行度越好，则超声回波信号越强，幅值也越 大。可以在超声波回波信号的检测过程中设定一个阈值( 比较电平) ，通过计数 回波信号中幅值超过这个阈值的脉冲个数来判断换能器与水柱液面的平行度， 个数越多，说明平行度越好。 在仪器的硬件实现中，测幅电路就是用来计算超过阈值的脉冲个数，来实 现判断平行度好坏的功能。 在现场应用中，要通过测幅电路尽量调平，使得两液柱间高差变小，信号 幅度变大，这样可减少这部分对系统测量带来的误差。 ( 6 ) 液柱液面的影响 1 5 第2 章高精度微压差测量原理及方法 一般情况下，可以认为水柱液面的表面是水平的，事实上，由于水表面张 力的存在，水柱液面的表面呈凹弯月面，弧度的大小与液体表面张力系数及管 子直径的大小有关。如图2 9 ： a b 图2 9 液柱表面张力图 c a b d 本文中，测量的声时，l 、t ：为底面与液柱弧面a c b 之间的平均声时，并非 底面与假设液面a b 之间的声时。由于液体和柱壁的接触角0 较小，而且发射超 声波的超声晶片的面积也小于液面的面积，因此，在实际测量中可以忽略这一 现象的存在。 并且在实际的测量中，液柱液面始终保持这一弧度，因此，对于压差测量 来说，由于需要测量的是液面高度的变化量，即使液面弧度的存在也不影响实 际的测量效果。 2 3 超声波微压差计的精度分析 在2 1 节的分析中，得出超声波微压差计测量公式为： p 1 2 ：p g a h ：型! 坠二生 j 3 一r 3 从式中可以看出，p 、厶、f l 、乞、如等的测量误差p 、厶、at l 、af 2 、 厶对超声波微压差的测量都有影响，下面通过求导对各参数项进行分析，分别 计算各参数量的误差引起的压差测量误差： 哦，2 g 去( f 2 - ，1 ) 噙p a a 2 岛：p g 士( 1 2 - t 1 ) 厶 a a 2 岛2p g 鬲 噬厶 哦b = 鹏高( ) f 3 1 6 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第2 章高精度微压差测量原理及方法 。= p g l f l ( 2 2 3 ) 1 3 一3 ， a p l 2 f 2 = p g l 乞 ( 2 2 4 ) 1 3 一r 3 取现场实际测量时得到的数据进行误差估算，p = 9 9 9 8 8 6 7k g m 3 ， a p = o 0 0 5 2k g m 3 ，g = 9 7 9 4 6m s 2 ，厶= 9 0 0 0 5 2 m m ，a 厶= 0 1l a m ， ，2 一，1 = 8 9 9 3 21 ts ，t 3 = 1 2 4 4 2 4 7 ps ，a t l = a t 2 = a t 3 = o 2 n s ，岛= 5 0 1 u s ，贝i j 绝对 误差卸。2 为： 卸1 2 = ( 卸1 2 户) 2 + ( 卸1 2 1 ) 2 + ( 卸1 2 ，1 ) 2 + ( 卸1 2 r 2 ) 2 + ( 卸1 2 r 3 ) 2 = 3 7 6 1 0 p a 。 相对误差盯m 为： 1 2 2 = 0 0 3 本章小结 本章主要讲述了超声波微压差计的测量原理及影响测量的各种因素，并对 提高测量精度的方法做了较为深入的讨论。 分析结果表明，液体密度、声时、声程的测量误差与超声波微压差测量误 差成线性关系，同时还有其它一些因素，如环境温度等也会对测量产生影响。 超声波微压差测量原理及影响因素的分析为更好地改进仪器及实际应用提 供了理论指导作用。 1 7 第3 章高精度超声浊微k 差测量系统的建口与实琏 第3 章高精度超声波微压差测量系统的建立与实现 前一章讲述了高精度超声波微压差测量的基本原理以及影响系统测量的因 素及提高测量精度的方法，本章主要介绍系统硬件及软件的实现方式、工作原 理及流程。 31 系统框架 超声波微压差测量系统主要分以下三部分：电路系统，微压差测量装置 计算机及软件系统，如图31 ，32 ： 闰3i 超声波微压差测晕系统示意图 幽32 超卢波微压差测量系统实物圈 第3 章高精度超声波微压差测量系统的建市与实现 电路系统：由单片机，发射电路，电子开关，放大电路，过零电平检测电 路，测时门，测幅门，串行输出接口等几个部分构成。 微压差测量装置：第2 章中已经阐述了原理以及工作方法，这里不再重复。 计算机及软件系统：由计算机及用d e l p h i 7 0 自行编制的软件组成，用于显 示和存储数据。 3 2 电路系统工作流程 电路系统是整个超声波微压差测量系统的核心部分，超声波的发射，声时 的测量以及数据的采集几乎都在这里进行。 电路系统硬件框图如图3 3 p ) r 示： 图3 3 电路系统硬件框图 1 9 第3 章高精度超声波微压差测量系统的建立与实现 图中，三个换能器的接收信号通过电子开关选通，采用同一个放大器放大， 目的是为了降低放大器的零漂对测量精度的影响。 测量时，单片机依次触发1 ，2 ，3 三个发射电路，使超声换能器分别发射 一个超声脉冲信号，同时，给电子开关发送选通信号，脉冲信号经反射后被换 能器接收，通过电子开关并经过放大器放大，再经过零点电平检测电路，产生 一个从发射到接收的正方波，用来控制计时门的开关宽度，通过与晶振时标信号 相与，计数并得到被测信号的声时。 在测量声时的同时，经过放大的回波信号，还要通过测幅门，测量得到回 波信号的脉冲个数，用来指导仪器的水平调节。 电路系统还装有l c d 液晶显示屏，用于显示标准声时，高、低柱声时，高差， 幅度等关键数据。单片机还通过串行口将所有测量数据传给计算机，由计算机 进行显示及进一步的处理。 在这一部分中，除了前面介绍的“随机多次测量后平均的测时方法外， 还有几项关键技术： ( 1 ) 电子开关和放大电路 在以前的电路中，回波信号分别送入各自的放大器进行放大。现在采用电 子开关进行选通，几路信号都使用同一个放大器对接收信号进行放大，并且用 同一个过零电平检测电路检测，这样如果放大器或过零电平检测电路有零点漂 移，增益变化等，对各路测量的影响是一样的，由于计算高度差用的声时差是 测得的二个声时相减得到的，所以影响就可以相互抵消。这样既节省了元器件， 还有效地消除了由于放大器、过零电平检测等电路漂移造成的误差，大大提高 了仪器的测量精度及稳定性。 ( 2 ) 过零电平检测 对于接收信号到达瞬刻的判断，采用过零电平检测的方法，好处是当接收 幅度变化时，过零电平到达的瞬刻基本上是不变的。若不是采用过零电平检测， 那么信号幅度的变化将会引起声时的测量误差。 为了实现过零电平的检测，先用一个甄别阈高的施密特触发器检测到首波 信号的到达，再用鉴别阈为零的施密特过零电平检测器从放大倍数尽可能大的 放大信号中，检测出与首波到达信号最邻近的过零电平的到达瞬刻。 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! 里一 ( 3 ) 测幅电路 在屯路设计中，增加了测幅电路，其用途和优点上一章已经介绍过了。用 接收信号的强弱来谒节水平要比用水泡法调节效果更好、更灵敏更正确。 3 3 计算机及软件系统 计算机通过串行口与电路系统相联。电路系统将测得的数据传送给计算机， 由计算机通过自编的d e l p h i 软件显示并存储需要的数据图3 4 为计算机显示 拦34 教据显币臀圆 圈中，左侧为波形显示图，横轴为时间，显示长度为四小时，纵轴可以实时显 示标准声时高、低柱声时，高差和温度。横纵轴都可以通过改变程序设置来 改变显示时间长度和数据位数。从图形可以很直观地看出各值以及变化量，还 可以对比得知相对变化量及相互之j 甘| 的影响。 右侧为数值显示区，可以显示的值比左侧的耍多，以下迓一说明： ( 1 ) 标准卢时f 、( ps ) ：扣陈声延时后的换能器3 发射的声波到达时面壁面， 第3 章高精度超声波微压差测量系统的建立与实现 再反射回来所需时间的l 2 ；