（测试计量技术及仪器专业论文）基于超声波的家用水流量计的设计与开发.pdf

基于超声波的家用水流量计的设计与开发 摘要 目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在漏损率 高、磨损快而且精度低等缺点。为了适应节约用水的要求，本文设计了一种基 于超声波技术的适合家用的水流量计。要求设计的水流量计精度高于机械式水 表，同时具有操作简单，低成本等特点。 本文采用时差法测量水流量，选用中心频率为1 m h z 的收发两用的压电陶 瓷超声波换能器作为流量测量传感器，并且对超声换能器的声道布置方式进行 了设计。为了能够获得良好的超声信号，设计了超声换能器驱动模块以及采用 过零检测和软件屏蔽窗口为核心的信号处理模块。使用高精度时间转换芯片设 计计时模块电路，确保超声波信号渡越时间的准确计时。软件系统的设计主要 是实现数据的处理和显示以及参数的设定和修改，进一步完善了整个系统的设 计。实验表明，本次设计的超声波流量计基本误差达到士1 ，仪表精度等级高 于机械式水表，符合设计的要求。 关键词：家用仪表；水流量计；超声换能器；时差法；m s p 4 3 0 f 4 1 7 d e s i g na n d f l o w m e t e r d e v e l o p m e n to fh o u s e h o l dw a t e r b a s e do nu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s th o u s e h o l dw a t e rf l o w m e t e r si no u rc o u n t r yi sm e c h a n i c a l r o t o r - t y p e ，b u tt h i st y p eo fw a t e rm e t e r sh a v eh i g hl e a k a g er a t i o ，f a s tw e a r i n g ，a n d l o wp r e c i s i o n i no r d e rt om e e tt h eg o a lo fs a v i n gw a t e r ，as o r to ff l o w m e t e rf o rt h e h o u s e h o l dw a t e rm e a s u r e m e n tb a s e do nt h eu l t r a s o n i ct e c h n o l o g yi sd e s i g n e d t h e w a t e rm e t e rs h o u l dh a v eh i g h e ra c c u r a c yt h a nm e c h a n i c a lo n e s ，a n dh a v es i m p l e r o p e r a t i o na n dl o w e rc o s t i nt h i sp a p e r ，t h et r a n s i t t i m e - d i f f e r e n c em e t h o di s a d o p t e dt om e a s u r et h e w a t e rf l u x t h ee m i t t e r - r e c e i v e rd u a l - u s ep i e z o - c e r a m i c su l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri s s e l e c t e da st h ef l o wm e a s u r e m e n ts e n s o rw i t ht h ec e n t r a lf r e q u e n c yo f1m h za n d t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rc h a n n e ll a y o u ti sd e s i g n e d i no r d e rt og e tg o o du l t r a s o n i c s i g n a l s ，t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rd r i v e rm o d u l ea n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e a r ed e s i g n e d ，w h i c hu s e st h ez e r o c r o s s i n gd e t e c t i o nm e t h o da n dt h es o f t w a r e s h i e l d i n gw i n d o wa st h ec o r e t h et i m e - c o u n t i n gm o d u l a rc i r c u i t ，w h o s ef u n c t i o ni s t om e a s u r et h et r a n s i t - t i m ea c c u r a t e l y , i sd e s i g n e dw i t hat i m e c o n v e r t i n gc h i pw i t h h i g hp r e c i s i o n a sf o rt h es o f t w a r ep a r t ，t h em a i nw o r ki sd a t ap r o c e s s i n ga n d d i s p l a yo f t h er e s u l t sa sw e l la ss e t t i n ga n dm o d i f i c a t i o no fr e l e v a n tp a r a m e t e r s f i n a l l y , m a n ye x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ot e s tt h ef l o w m e t e r , a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee r r o ro ft h eu l t r a s o n i cf l o w m e r e ra c h i e v e s 士1 i ti so b v i o u st h a tt h e a c c u r a c yo ft h ei n s t r u m e n td e s i g n e di nt h i sp a p e ri sh i g h e rt h a nt h em e c h a n i c a l o n e s t h ei n s t r u m e n t sw ed e s i g n e dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h o u s e h o l dm e t e r ；f l o w m e t e r ；u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ；t r a n s i t - t i m e - d i f f e r e n c em e t h o d ；m s p 4 30 f 417 插图清单 图2 1 多普勒效应原理图7 图2 2 波束偏移法原理图8 图2 3 相关法原理图8 图2 4 时差法测量原理图9 图2 5 管道内流速分布图1 2 图2 6 超声换能器外形图1 6 图2 7 压电换能器直探头的基本结构一1 8 图2 8 超声换能器安装方式一1 9 图2 9u 型法原理图2 0 图3 1 系统硬件结构框图2 l 图3 2m s p 4 3 0 f 4 1 7 的结构框图2 2 图3 3m s p 4 3 0 f 417 单片机引脚：2 3 图3 4 计时芯片内部结构图2 4 图3 5t d c g p 2 时间测量单元构架图2 4 图3 - 6 测量方式2 的测量原理图2 5 图3 7 超声换能器驱动电路2 5 图3 8f i r e l 和f i r e 2 引脚输出脉冲序列2 6 图3 - 9 收发时序模块控制电路2 6 图3 1o 低电压总线开关引脚图2 7 图3 1 1m a x 9 1 4 0 引脚图2 8 图3 1 2 信号处理电路2 8 图3 1 3 信号处理前后波形图2 9 图3 1 4t d c g p 2 外围电路连接图2 9 图3 15c p u 部分电路图：3 0 图3 16 电源电路31 图4 1 系统软件结构框图3 2 图4 2 系统设计主流程图3 3 图4 3 时间测量流程图3 4 图4 - 4 屏蔽窗口原理图3 6 图5 1 标准流量计校验装置示意图3 7 图5 2 系统电路板图3 8 图5 3 换能器驱动信号波形4 l 图5 4 接收信号波形1 4 2 图5 5 接收信号波形2 4 2 图5 6 信号处理后的输出波形4 2 表格清单 表2 1 不同温度时水的运动粘度1 1 表2 2 力与雷诺数黜的关系1 2 表3 1 收发时序逻辑控制表2 7 表5 1 旋翼式b 级水表性能参数3 9 表5 2 超声流量计的主要性能参数3 9 表5 3 流量计精确度等级3 9 表5 4 零流量下超声波传播时间数据4 3 表5 5 不同流量点下的实验结果4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目曼互些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 酿哆 签字日期：2 4 - 年华月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金照工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金g 巴王些厶堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 张哆 签字日期： 纠年牛月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师张辉教授的悉心指导及热心关怀下才能得以完成的。几年 来，张老师不仅让我掌握了技能，增长了分析问题、解决问题的能力，更重要 的是开阔了我的视野，拓宽了思路，让我树立了良好的学术习惯及科研精神， 为我以后的工作生活打下了良好的基础。张老师广博的学识，踏实的工作态度 以及勇于创新的精神，都使我受益匪浅，在此向导师表示最崇高的敬意和衷心 的感谢。 另外感谢实验室和同班同学对我在科研和生活上的帮助和关怀，以及一直 以来都在关心、鼓励和帮助我的亲人和朋友。还要感谢我的父母，感谢多年来 他们对我的栽培和爱护。 最后，再次向所有给予我关心和帮助的老师和朋友们表示感谢。 作者：张梦 2 0 1 0 4 二u 1 第一章绪论 1 1 家用水表概述 1 1 1 家用水表发展历程及分类 水表是指记录流经封闭满管道的可饮用水的计量仪表。用于水流量计量的 流量计有很多，但是国内目前均将这些仪表列入区别于水表的其它流量计范畴。 水表和其它流量计的区别是其传感器部分和指示装置均为机械式，其工作的动 力来自水流。水表的指示装置一般只显示通过水表的水体积总量，它可以安装 电子传感器来实现水量信号的传输【l 】。 水表测量的原理是利用活动壁的容积室的机械作用或水流推动涡轮等活动 元件，使之旋转以连续测量水流量。在流量计中具有结构简单、安装方便、流 量范围宽、压力损失小等特点。 在家庭设置水表目的在于计算水量，节制用水，同时还有在生产上核算成 本的作用。在地域水资源不丰富，能源也不充足的情况下，节约用水尤为重要。 1 )发展历程 从18 2 5 年英国的克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水 表的发展已有近两百年的历史。水表的结构先后出现了往复式单活塞式水表、 旋转活塞式水表、圆盘式水表、旋翼式水表和螺翼式水表( 又称沃特曼水表) 等形式。随着现代化制造工艺、材料及电子技术的发展促进了水表技术的飞速 发展。目前水表的工作原理和基本结构仍在水表制造企业中广泛使用，但是在 水表的外形设计、制造工艺和材料选择等方面做了不断的改进，即提高了水表 的计量精度和可靠性，又降低了制造的成本。 我国水表的使用和生产起步较晚。1 8 7 9 年，李鸿章操办海军，在旅顺口创 建了我国第一家水厂，水表开始进入我国。2 0 世纪3 0 年代，当时的上海光华 机械厂( 现上海光华仪表厂前身) 等厂家从国外进口部分零件开始生产水表。 但是，当时我国的水表行业主要还是由国外的一些厂家操控，由于不同国家生 产水表的标准不一，零件不通用，给当时的城市供水企业的水表维修带来了很 大的困难。1 9 4 9 年解放后，城市自来水事业在政府和城市建设部主管部门关注 和支持下，得到了迅猛的发展，我国的家用水表工业也相应地发展起来。 从1 9 5 5 年起，上海、北京、天津、南京等城市自来水公司逐渐开始生产水 表。2 0 世纪5 0 年代后期，上海光华仪表厂开始生产少量的全金属结构、指针 读数的速度式水表。2 0 世纪6 0 年代初期在原一机部仪表局的重视下，国家投 资建设了两家水表生产厂，即天津自动化仪表三厂和宁波水表厂。之后，又完 成了d n l 5 - - d n 5 0 小口径多流束旋翼式湿式水表系列和d n 8 0 , d n l 5 0 多流束 旋翼式湿式水表产品的设计及样机试制，从而改变了国内水表种类繁杂的状态。 2 0 世纪8 0 年代初，我国水表行业在机械工业部上海市自动化仪表研究所的组 织下，根据水表国际标准i s o4 0 6 4 的要求，对小口径水表又推出了八位指针、 整体叶轮的全国统一设计的水表，满足了日益发展的城乡自来水业发展的需求。 1 9 9 1 年国家技术监督局规定了对强制检定计量器具的实施办法，对小口径的家 用水表实行“安检前首次检定，到期轮换”的管理方法。从1 9 9 9 年开始，国家 质量技术监督局将水表列为六个重点管理计量器具之一，其制造计量器具许可 证的发放权在省一级，并颁发了水表生产必备条件【卜3 1 。 近年来，市场经济的发展也促使了水贸易结算方式发生着改变。先是总表 制，即整座楼仅在进户总管上设一水表，用户之间用水多少无法明确，而费用 按户均分，这就造成水浪费，也导致了邻里矛盾，现在推行的是“一户一表 制，减少了用户间因用水不均而产生的纠纷，也减少了用水量。 2 )分类 从不同的角度出发水表有不同的分类方法，基本上是按以下这些原则： 按测量原理 按测量原理可分为两种：速度式水表和容积式水表。前一类主要是用于实 际水量计量；后一类价格较高，主要用于试验。 速度式水表是安装在封闭管道中，由一个运动元件组成，水表的动力来源 是水流的运动，又可分为旋翼式水表、螺翼式水表。旋翼式水表又有多流束和 单流束水表。旋翼式水表的公称口径一般为中、小口径，如1 5 m m - - 4 0 m m 等， 最大可达4 0 0 m m ( 如日本东精工株式会社的d w 型水表) 。螺翼式水表一般适 合大口径自来水管道中的使用，如自来水管道水量计量以及工业用水量的计量。 其口径一般为5 0 m m - - 5 0 0 m m ，最大可达9 0 0 m m t 4 1 。 容积式水表又称活塞式水表，是安装在封闭管道中，由一些被逐次充满和 排放流体的已知容积的容室和凭借流体驱动的机构组成的水表，简称定量排放 式水表。主要有旋转活塞式和圆盘式水表两大类。圆盘式水表在国内没有使用 【4 】。旋转活塞式水表一般为小口径规格，特点是计量精度高、小流量计量能力 强、灵敏度高，主要用于管道纯净水的计量。相对于旋翼式水表，容积式水表 计量等级高、灵敏度好，但是对水质的要求很高，结构较复杂、制造维修较难， 成本高，因此在我国尚未大范围使用。 计量等级 计量等级反映了水表的计量流量范围，尤其是小流量的家用水表的计量性 能。按照从低到高的次序，一般分为a 级表、b 级表、c 级表和d 级表。我国 家用水表的等级要求达到b 级水平。 按安装方向 按安装方式通常可分为水平安装水表和立式安装水表( 又称立式表) ，是指 安装时其流向平行或垂直于水平面的水表，在水表的度盘上用“h 代表水平 安装、用“v ”代表垂直安装。 按介质的温度 按介质的温度可分为冷水水表和热水水表，水温3 0 c 是其分界线。 远传水表分类 远传水表通常是以普通的水表为基表，在上面加装了远传输出装置，远传 输出装置可以安置在水表内部或指示装置内，也可配置在外部。可分为两类， 一类是包括代表实时流量的开关量信号、脉冲信号、数字信号等，另一类代表 累积流量的数字信号和经编码的其它电信号等。远传输出的方式包括有线和无 线。 预付费类水表 预付费水表是以普通水表作为基表、在上面加装了控制器和电控阀所组成 的一种具有预置功能的水表。主要有i c 卡冷水水表、t m 卡水表和代码预付费 水表等。 1 1 2 家用水表的问题和难点 家用水表多是机械旋翼式，下面对这种水表在制造和使用中遇到的问题和 难以发展的因素做一介绍： 1 ) 水表始动流量大 水表的始动流量( 又称灵敏度) 是各方尤其是供水公司比较关注的技术指 标。而目前家用的水表始动流量大，即通常所说的“大管小流不走表”，这是由 旋翼式水表的原理造成的。 2 ) 不流水水表自走现象 由于管道加压混入空气和水温变化等原因，水管会存有空气j 会造成安装 在某些位置的水表在不流水时也会有缓慢的走表现象。目前结构的旋翼式水表 无法从根本上解决这一缺陷。 3 )漏损率高 在我国一般城市的漏损率可达到3 0 ，最高可达4 0 。漏损率也一直是影 响供水企业经济效益的重要指标【5 1 。 4 ) 检定和维修周期短 旋翼式水表由于有旋转部件，大流量高流速时磨损很快，降低计量准确度， 因此需定期检修、标定，检验周期一般是一年【6 】，由于管理不善造成延期将会 使其计量不准。 5 )准确度低 根据水表相关规程【6 1 ，水表准确度等级为2 级，用分段( 高区和低区) 误 差限要求来表示。从最小流量到分界流量的低区误差要求为5 ，从分界流量 到最大流量的高区误差为2 。根据目前流量计的准确度等级，机械式水表的 准确度较低。 1 2 计量水的流量计简介 下面简要介绍几种用于水量计量的流量计： 1 )电磁流量计 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体体积流 量的仪表，由电磁流量传感器和转换器两部分组成。 电磁流量计测量范围宽，满量程值的流速可在( o 5 1 0 ) m s 内选定，准 确度较高( 可达到0 5 ) ，测量通道无活动部件和阻流件，不形成压损【2 j 。由 于其检测元件都在测量管外，所以，在测量脏污流、腐蚀流、含纤维流体以及 浆液等方面有一系列优良的特征。电磁流量计的缺点是不能测电导率很低的液 体、含较多较大气泡的液体等。2 0 世纪7 0 8 0 年代电磁流量计在技术上有重 大突破，使它成为使用广泛的一类流量计。 2 1 差压式流量计 差压式流量计的测量原理是，在充满流体的管道中固定放置一个流通面积 小于管道截面积的节流件，则管内流束在通过该节流件时就会造成局部的收缩， 即会产生一定的压力差，在一定的流体参数情况下，这个压力差与流量之间有 一定的函数关系。因此，可以通过测量节流件前后的压力差来测量流量。它由 一次装置( 检测件) 和二次装置组成。通常以检测件的型式对差压式流量计分 类，如孔板流量计、文丘里管流量计、均速流量计等。二次装置为各种机械、 电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示计算仪表。 差压式流量计的特点是比较经济。缺点是压损大、流量比小，对流量计安 装的前后直管段要求也较严格。 3 ) 涡街流量计 涡街流量计又称旋涡流量计，是利用流体振动原理来进行流体测量的。这 种流量计在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与 流体的流速( 或流量) 有一定的关系。 涡街流量计的优点是结构简单牢固，安装维护方便，准确度高，压损小； 缺点是在外界产生的振动信号对其测量信号有一定的影响，对于低速流动的流 体由于产生的流体振动信号强度不足，而使得测量下限难以获得突破，且不适 合低雷诺数( 介质粘度高、口径小) 的测量，对流场要求高【lj 。 4 ) 超声波流量计 超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波信号的影响来测量流体流量 的仪表，可做非接触测量，安装时无需截断流体。超声波流量计为无流动阻扰 测量，无额外的压力损失。超声波流量计测得的流量是通过测量超声束的传播 时间，以及从实际测量的管道和声道等几何尺寸计算求得的仪表系数，最终计 算出来的，属于间接测量。因此，采用的测量方法准确程度决定了整个测量精 度的高低。 4 超声流量计的优点是对水流介质无要求，非接触式、无压损、不破坏流场； 缺点是价格较高，对超声换能器的工艺要求高，而且换能器的安装方式直接影 响到流量计的准确度。 1 3 课题的选题及研究内容 1 ) 课题的选题 我国水资源相当匮乏，分布也不平衡，随着科技的发展、生活条件的不断 改善，我国水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，以及近几年“一户一表 政策的推行，因此需要具有高精度、使用方便、价格合理的水流量计。水表计 量是供水企业收取水费的唯一依据，而目前的家用水表以机械式为主，这类水 表存在精度不高、维修麻烦、机械部件易磨损等问题，从而使其不能满足市场 的需求。 超声波技术用于液体的流速测量有许多的优点，和传统的机械式水表相比， 具有运行稳定、计量精度高、对管径的适应性强、安装方便，电子线路集成度 高等特点。同时，由于电子技术的发展，电子元器件的成本大幅度下降，使得 超声波流量计的生产成本有所降低，从而使把它应用在家用水计量中的想法成 为可能。 2 ) 课题研究内容 本课题从时差法流量测量原理的研究开始，结合家用水表的技术指标，设 计了一种适合家用的水流量计，从而可以取代机械式水表。主要研究内容可分 为四部分： 第一部分主要是超声换能器的选择和声道的布置。这部分内容是为了实现 超声信号能够良好的发射、传播与接收，从而使信号便于测量，初步使仪表满 足一定的精度。 第二部分是硬件电路进行设计。超声波液体流量计设计的关键和核心在第 二部分，包括信号的采集，处理，检测等关键环节，为了使用电池供电方式， 在设计中始终要考虑降低功耗的要求，增大了设计的难度，为了达到性能要求， 因此电路部分设计是课题重点要解决的问题。 第三部分是软件设计。包括对硬件采集到的数据的处理、计算、显示等工 作，因此良好的软件系统对整个设计的完善起到重要的作用。 第四部分是对设计的仪表进行相关实验，检验是否能达到居民饮用水计量 仪表的要求。 第二章超声波流量测量技术研究 2 1 流量测量的概念 流量是指单位时间内通过管道截面积或明渠横断面的流体量， 分为质量流量、体积流量【8 1 。表达式可以表示为 q 。= p u n q ，= u a 式中g 。，_ 一质量流量( k g s ) ； 表达方式可 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 吼- 体积流量( m 3 s ) ； p _ 流体密度( k g m 3 ) ： 甜管内平均流速( m s ) ； 4 叶道横截面积( m 2 ) 。 一段时间内通过管道截面积或明渠横断面的流体总量称为累积流量【7 1 ，其 表达式为 聊= 鼽d t ( 2 - 3 ) v2 j l q v d t( 2 - 4 ) 式中v 流体体积( m 3 ) ； m 一流体质量( k g ) ； 2 2 超声波流量计检测原理及特点 超声波流量检测是超声应用的一种，主要是声速测量技术的应用。超声波 在流动的流体中传播时就会载上流体流速的信息，因此通过接收到的超声波信 号就可以检测出流体的流速，进而换算成流量。根据检测的方法，可分为传播 速度差法( 直接时差法、相位差法、频差法) 、多普勒法、波束偏移法、噪声法 及相关法等 8 - 1 4 】，其中传播速度差法应用较为广泛。 2 2 1 传播速度差法 传播速度差法的原理是通过测量超声波信号在顺流和逆流方向上的传播 速度之差来最终求得流量的，其中时差法在测量时不受流体温度变化的影响， 准确度高，所以被广泛应用。按所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差 法，相位差法和频差法。 1 ) 时差法 时差法是将流体流动时与静止时超声波信号在流体中传播的情况进行比 6 较，由于流速不同使超声波的传播速度发生改变。主要适应于河流、海峡 等水道流量和小口径管流量的测量。而且由于时差法测量流量具有灵敏度高， 安装维修方便等突出的优点，所以本设计采用此方法。本课题研究的是家用超 声波流量计主要应用于测量内径2 0 m m 的供水管道，具体将在2 3 节介绍。 2 1相位差法 相差法是利用时差法中的超声波相位差a q a 与时间差出的关系 伊= 2 n f z x t( 2 5 ) 式中厂超声波的发射频率； 通过测量顺、逆流两个方向接收波的相位差缈来实现流速的测量，这种方 法主要适应于中、大管径流量的测量。 3 1频差法 频差法是由顺流发射的一组超声波发生器和接收器，另一组逆流的发射器 和接收器各自组成发射与接收的闭路循环系统。可通过测量一定时间内两组闭 路循环系统中的循环频率之差来测得流速，进而得到流量。 2 2 2 多普勒法 多普勒法是利用声波的多普勒效应进行测量的，适用于含悬浮颗粒或气泡 的流体的流量测量。 测量原理是：当发射器和接收器之间有相对运动时，接收器的接收声频率 与发射器的声频率之差跟两者之间的相对速度成正比。 图2 - 1 多普勒效应原理图 当测量介质中含有悬浮颗粒或气泡时，反射的超声波的多普勒频移v 为 a f = 厶一z ：2 u c o s a z( 2 6 ) c 式中z 超声波发射频率； 疋超声波接收频率； 圹一流体流速： c 一超声波在介质中的声速。 于是，由上式可通过测量z 和以得到流速为 u = i - 缈 ( 2 4 ) = 一， l z - ， 2 石c o s a 7 、7 2 2 3 波束偏移法 超声波束在流体流动的影响下，其波束的传播方向会发生偏移，这个偏移 量是以接收换能器所接收的波束强度的差值变化来反映的，原理如图2 2 所示。 在超声波束与流动方向垂直时，这一偏移更是明显【3 】。 在图2 2 中，装在管道一侧的超声波换能器t 所发射的超声波垂直于流体 流动的方向。当流体静止时，接收器r 1 和r 2 接收的信号强度相等，指示强度 差值为零；当流体流动时，超声波束的传播方向就会发生偏移，产生偏移角9 ， 接收到得超声波强度不相等，产生差值，而且口值越大，这一差值也越大。因 此，流速的大小最终由r 1 和r 2 的接收信号强度差值来反映。 这种方法在低流速时灵敏度低，在准确度要求不高的高速流体测量中，由 于这种方法线路简单，有一定的应用价值。 图2 - 2 波束偏移法原理图 2 2 4 相关法 相关法是利用相关技术测量流量的，多数流体在管道内的流动是以相关方 式运动的湍流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面上观察流体的扰动， 可见流速剖面之间存在差相关性，相关性随距离的增大而减小【4 j 。测量原理如 图2 3 所示。 流体 e z z = 图2 - 3 相关法原理图 在管内流速上任取两点a 和b ，令a 点记录的信号x ( r ) 和b 点记录的信号 为y ( r ) ，则在时间变量为，时，所表示的相关函数为 1 m 吼。，( f ) = l i m 二ex ( f ) y ( r + t ) d r ( 2 8 ) t ” r 斗。 若所有湍流扰动或声场瞬变在a 、b 上产生幅度、相位相同的信号，且f 等 于a 、b 件扰动的平均传播时间，在吼，( f ) 出现最大值，其对应的，值为f 嗍。 当流体的流速为“，a 、b 件的间距为时 “= 三r 一 ( 2 - 9 ) 从式( 2 9 ) 可以看出，被测流速与声速无关。此法的测量精度与所测管道的 口径、介质的种类及流速的关系不大，测量精度高，适用于多相流，干扰大的 流体。但是相关器件价格较高，而且电子线路复杂，不适合本次的设计。 2 2 5 噪声法 噪声法是利用管道内的流体流动时所产生的噪声强度与流体的流速成比例 关系的原理，此法简单，便于测量，成本低，但是准确度低，多用于流量测量 准确度要求不高的场合使用。 根据上述的介绍，这些方法都有自己的优缺点，在实际应用中应该根据待 测对象和要求的精度进行选择。经过比较，选用时差法作为本次超声流量计的 设计原理。 2 3 时差法流量测量原理 超声波在流体中传播时，由于流体流速的影响，同一传播距离在不同的传 播方向上就会有不同的传播时间。超声波时差法测流量是通过测量超声波信号 在顺流和逆流方向上的传播时间之差来最终求得流量的【15 。1 8 】，其测量原理图如 图2 4 所示。 孙能器p - 垫能器p 2 图2 4 时差法测量原理图 设流体的轴向平均流速为u d ，超声波在水中的声速为c ，管道内径为d ， 声路与流体流向间的夹角为口，则超声波信号顺流时的传播时间f ，为 9 d s i no c t l2 = c + u d c o s o f 超声波信号逆流时的传播时间 为 d | s i n 仅 t 22 c u d c o s o ! 由于c 2 u d 2 ，传播时间差a t 可表示为 r = r z r = 吾三二五2 i d 了：u i dzc-os而61f_等sin s l n 口l c 。一“r 、c o s 口 口。c 由( 2 7 ) ，得到时差法的流速公式为 u d2丽,。,dllltdosln出 p ，y ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 通过( 2 13 ) 式知道，只要知道了内径d 、夹角口和声速c ，通过测量得到时 间差缸，就可以通过计算得到流速u d ，然后得到流量。但是，我们必须知道超 声信号在水中的传播速度c ，而超声的传播速度是随流体温度变化而变化的， 是流体温度的函数【15 1 ，所以为了消除温度对测量的影响，采取了如下的方法。 由( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 1 2 ) 重新计算得 铲去s l n z 鲁 ( 2 - 1 4 ) 口1 ， 由式( 2 - 1 4 ) n - i 以看出，只要分别测出顺流和逆流传播时间t 。和t ：，就能求出 速度u n ，这种方法不受水流温度的影响，因而可以实现精确测量。所以对于超 声波流量计来说，精确的时间测量是保证整个仪表精度的关键。 体积流量表达式为 铲1 k a = i 1 孚 ( 2 - 1 5 ) 式中彳管道横截面积； k 流速分布修正系数，即轴向平均流速u n 和面平均流速甜之比，即 k = u d u 。 2 4 流体力学分析及流量方程的修正 2 4 1 管道内流体流动状态 上述推导的流量公式，是在管道中流体流速分布均匀的情况下得到的，但 是实际管道中的流体的流动十分复杂，这将会对测量带来误差，因此需要对管 道内的流体流动状态进行研究。 1 ) 管道雷诺数 雷诺数是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲数，是表征流体流动 l o 状态特性的一个重要参数【7 1 ，它由下式给出 黜：丝 ( 2 16 ) 1 ， 式中鼬_ 噌道雷诺数； 圹一管内平均流速( m s ) ； ，叶生流动的系统的特征尺寸； 1 ，流体的运动粘度。 当规定雷诺数时，应指明一个作为依据的特征尺寸。对于圆形管道，特征 尺寸一般取管道直径d ，则式( 2 1 6 ) 改为 黜：坐 ( 2 1 7 ) v 从上式( 2 1 7 ) 可知，管道雷诺数的大小和流速、特征尺寸、流体粘度三个 参数有关【1 9 】。如果雷诺数小，说明管内流动占主要地位的是粘性力，流体平行 于管道内壁有规则地分层流动，流动为层流流动状态。相反，如果雷诺数大， 说明管内流动占主要地位的是惯性力，流体为湍流流动状态。 为了计算雷诺数，下面给出水在不同温度下的运动粘度，如下表2 1 【2 0 1 。 表2 1 不同温度时水的运动粘度 温 度运动粘度 温度运动粘度 ( )( 木1 0 。6 m 2 s ) ( )( ：i ：1 0 。6m 2 s ) o1 7 8 52 01 0 0 3 5 1 5 1 9 2 5 0 8 9 3 l01 3 0 63 00 8 0 0 151 1 3 94 00 6 5 8 当管道雷诺数r p 2 3 2 0 认为是层流状态，而当雷诺数大于此值时，流动 将开始转变成湍流状态【l 引。层流向湍流转变的临界雷诺数不是一个常数，随外 部条件变化，如液体在进口处的扰动大小，圆管入口的形状及管壁粗糙度等。 2 ) 流速分布 在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布，它是通过多 根直线之末端的一根曲线( 或曲面) 。这些直线沿着直径( 或横截面) 各个点上 画出来的，它们平行于管道轴线并且在长度上比例于各点的轴向速度1 1 , 2 0 1 。 根据管内的流动状态不同，管内流体的流速分布主要有两种模型，分别为 层流流动时 湍流流动时 驴斗2 倍 ( 2 - 1 9 ) l 一疗 、，一 0 一r 一 ，l 舣m 甜 = 工 “ 式中距管道中心的径向距离； u ，距管道中心0 处的流速； ”懈管道中心的最大流速； r 叶道半径： 门一随雷诺数不同而变化的指数，其值见下表2 2 所示【7 1 。 表2 2n 与雷诺数r p 的关系 r e 疗 r e 行 r e 聆 r e ，z 2 5 6 * 1 0 4 7 o 5 3 6 * 1 0 5 8 8 3 2 0 * 1 0 5 8 3 1 1 0 幸1 0 6 9 4 1 0 5 * 1 0 5 7 3 7 0 0 1 0 5 9 0 3 8 4 * 1 0 5 8 5 2 3 5 * 1 0 6 9 8 2 0 6 * 1 0 5 8 0 8 4 4 * 1 0 5 9 24 2 8 * 1 0 5 8 6 3 0 7 * 1 0 6 9 9 从上式( 2 18 ) 和( 2 - 19 ) n - - i 以看出：在层流状态下，流速分布是以管道中心线 为对称轴的一个抛物面；在湍流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的 一个指数曲面。管道轴向剖视图如图2 5 所示。 图2 5 管道内流速分布图 图2 5 中所示的典型的管内流速分布，是指管内流体通过足够长的直管段 后形成的，并非管内流动都是这样分布的。一般情况下，由于流动过程中存在 各种干扰，管内流速分布总是要偏离这种典型的流速分布而对流量测量造成影 响。这正是许多流量计需要足够长的直管段的根本原因。 2 4 2 流量方程的修正 上面章节中介绍过，在计算体积流量时，如式( 2 15 ) ，会用到流速分布修 正系数k ，下面将介绍流体分布系数k 的计算方法。 在计算流体的流量时会用到流速，而这时的流速是指流体流动时的平均流 速。平均流速是指，当管内流体以某一流速u 均匀分布时，通过管道某截面的 流量正好等于管内流体以某一速度分布u ，时通过该管道截面的流量，则“就是 该截面上速度分布为“，时的平均流速。其数学表达式为【_ 7 】 云：等：擘 亿2 。， 彳4 。 对于圆管，将式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 代入上式，得： 层流状态下，平均流速为 1 2 云：了f u j 2 n r d r = 三2 甜一 ( 2 2 1 ) 积2 1 一 、 可见，只要流体处于层流状态，即使雷诺数r e 有变化，u 和甜一的关系也 不会变。 湍流状态下，平均流速为 云= ；u x r 2 r e d r = 淼甜一 ( 2 - 2 2 ) 积2 ( 2 ，2 + 1 ) + 1 ) “ 、。 在湍流状态下，甜和材一的关系随雷诺数r e 的变化而变化。 对于超声流量计，测得的流速是沿声波传播路径方向上的平均流速( 甜d ) ， 即线平均流速。则应该对流速甜d 从流体力学中加以修正，以得到需要的面平均 流速。超声波流量计测得的流速表达式为 甜。= 1 2 f f u x d r ：2 3 ) 根据前面章节的介绍，将式( 2 - 1 8 ) 和式( 2 - 1 9 ) 代入上式，得： 层流状态下，圆管内直径上的平均流速为 铲一2 ；u x d r ：型粤挫三一 (2-24，2r3 ” r。一 、 由式( 2 2 1 ) 和( 2 2 4 ) 得，流速分布修正系数k 为 k ：孥：! u 3 湍流状态下，圆管内直径的平均流速为 ( 2 2 5 ) 铲一2 r u x d r ：尘掣i ：鬲n 甜一 p 2 6 ， 由式( 2 2 1 ) 和( 2 2 6 ) 得，流速分布修正系数k 为 k ：孥：1 + 上( 2 2 7 ) u 2 n 以上从管道内流体流速分布规律出发，导出了流速分布修正系数k 的理论 计算公式。在满足光滑管壁和有足够长直管段的条件下，上述计算出的流速分 布修正系数完全能满足精度的要求。 对于流速分布修正系数k 值，也可以采用经验算法【7 1 ： 层流状态下： k = ； ( 2 2 8 ) 1 14 - o 0 1 、i 6 2 5 + 4 3 1 r e 。0 2 3 7 ； r e 1 0 5 2 5 超声换能器原理及参数选择 换能器，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件。在声学研 究领域，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。 超声波换能器是在超声频率范围内将声信号和电信号进行相互转换的器 件。由于超声波信号在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应，同 时超声波具有穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现等优点，因而在 工业、农业、国防和科学研究等方面得到广泛的应用。 2 5 1 超声换能器工作原理 超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。超声换能器 中的电、声能量互换均是借助于电场或磁场的物理效应来实现的，这种效应包 括两个方面1 2 l j ： 1 ) 力效应把作用在换能器电路系统中的电流或电压转换为作用在机械 振动系统的推动力的物理效应，即实现把电学量( 电流、电压) 转换为力学量 ( 振速或力) 的效应。 2 ) 电效应把作用在换能器机械振动系统上的力或振速转换为电路系统 中的应电势或应电流的物理效应，即实现把力学量( 或声学量) 转换为电学量 的效应。 所以，根据各种换能器的“力效应和“电效应 ，我们就能得到它们的机 电参量转换方程式。 2 5 2 超声换能器主要性能指标 描述超声换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、 品质因数、方向特性、效率、灵敏度等。根据实际用处不同，以及适用场合的 不同对不同的换能器性能提出不同的要求【2 1 锄】。 1 )工作频率 超声换能器的工作频率不仅直接关系到换能器的频率特性和方向特性，也 影响到换能器的发射功率、效率和灵敏度等重要性能指标。通常，工作频率选 在换能器的机械共振频率附近，因而换能器频率一般指换能器的共振频率或附 t 一 班o 2 )换能器的机电转换系数n 和机电耦合系数k 超声换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量( 或 1 4 电学量) 与转换前的电学量( 或力学量) 之比。 对于发射换能器 力或振速 “电压或电流 对于接收换能器 应电势或应电流 力或振速 换能器的机电耦合系数，是描述它在能量转换过程中，能量相互耦合程度 的一个物理量。其定义为，对于发射换能器 l ，2 机械振动系统因力效应而获得的交变机械能 一 电磁系统所储存的交变电磁能 对于接收换能器 l ，2 电磁系统因电效应获得的交变电磁能 k