（控制理论与控制工程专业论文）基于超声波的流量测量技术的研究.pdf

a 一。 j r 丈 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：茎至塑塞鎏箜鎏重型重垫查塑婴窒 作者： 李小娜 指导教师：三查童型塾望单位：鬯茎壹型毽吝堂 协助指导教师： 论文提交日期：2 0 1 0 年0 5 月2 6 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： - j - ， j 基于超声波的流量测量技术的研究 t h er e s e a r c ho ff l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nu l t r a s o n i c 研究生姓名：李小娜 指导教师姓名：王志春 内蒙古科技大学信息工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：l ix i a o n a s u p e r v i s o r ：w a n gz h i c h u n s c h o o lo f i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h m 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名： 日期： 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 超声波在流体中传播时，会携带其流速信息，超声波流量计就是通过提取这些信息 来测量流量的。本文开发了一套用于巡检高炉冷却循环水流量的超声波测量装置，以改 善目前其测量成本高、维护不便、备件多、对工人技术水平要求高的现状。 论文从高炉冷却水的实际情况出发，系统确定了采用时差法测量原理，探头采取u 法安装，以3 2 位a r mc o r t e x - m 3 系列单片机s t m 3 2 f 1 0 3 r e 作为处理器，达到l 测 量精度的整体方案论文对超声波收、发电路的设计和工作过程进行了详细的研究和论 述，并且在电路设计和p c b 设计的过程中重点考虑了抗干扰技术，最终获得了幅值稳 定、波形清晰、信噪比高的接收信号，为后续软件设计提供了良好的基础。 在时差法超声波流量测量中，系统的精度主要取决于时差的精度。本文采用高速计 时与相关算法相结合的方法测量时差：在发射超声波的同时启动高速计时，当接收信号 的幅值大于比较器的阈值时停止计时，并唤醒高速模数转换器a d 9 2 3 7 开始采集接收信 号。在顺、逆流的采集完成后，对采集数据进行互相关运算，以补偿高速计时测得的时 差，最终实现了时差的高精度测量。软件中，还对温度引起的超声波传播速度变化做了 校正；对流速在管道中的非平均分布作了补偿，以保证流量测量的精度。 基于以上硬件和软件设计，该装置可用于管径为3 0 m m - , 1 6 0 0 m m 、流量为 1 2 7 m 3 压卜1 5 0 m 3 h 范围内的水流量测量，也可拓展用于其他环境的单相液体的流量测 量。该装置具有c a n 总线接口，可构成分布式控制系统中的现场级流量仪表。 关键词：超声波流量仪；时差法；相关法；s t m 3 2 ；自动增益调整。 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nu l t r a s o n i c 缸翟n 岛n 旭i nf l u i d , i tw i l lc a r r yo nf l o wv e l o c i t yi n f o r m a t i o nw h i c h u l t r a s o n i cf l o w m c t e ro ( b 储t of i g u r eo u tt h ef l o w t h ep a p e rd e v e l o p sa l lu l t r a s o n i cf l o w m e t e r u s e dt oi n s p e c tt h ef l o wo fb l a s t - f u r n a c ec i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r , i no r d e rt oi m p r o v et h e c u r r e n ts i t u a t i o no ff l o wm e a s u r e m e n to fb l a s t - f u r n a c ec i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r ：h i 曲c o s t , c u m b e r s o m em a i n t a i n i n g , n u m e r o u ss e r v i c ep a r t s , h i g ht e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rw o r k e r s f r o mt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fb l a s t - f i m m c ec o o l i n gw a t e r , t h ep a p e rd e t e r m i n e ds y s t e m s s o l u t i o n st h a tt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea d o p t st i m ed i f f e r e n c em e t h o d ；s e n s o r sa d o p tu - s h a p e i n s t a l l a t i o n ；m i c r o c o n t r o u e ra d o p t s3 2 - b i ta r mc o r t e x - m 3f a m i l ym o n o c h i pc o m p u t e r s t m 3 2 f 1 0 3 r ea n da c e m a c ya c h i e v e s1 t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd i s c o u r s e st h ed e s i g na n d w o r k i n gp r o c e s so f u l t r a s o n i cs e n d i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i ti nd e t a i l i nc i r c t t i ta n dp c b d e s i g n , is p e c i a l l yc o n s i d e rt h ea n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g y , f i n a l l yo b t a i nt h er e c e i v e ds i g n a lo fs t a b i e a m p l i t u d e , l o wn o i s e , d e a rw a v e f o r m , w h i c hp r o v i d e sag o o df o u n d a t i o nf o rs o f t w a r ed e s i g n i nu i ：r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n tb a s e do nt i m ed i f f e r e n c e , t h es y s t e ma c c u r a c ym a i n l y d e p e n d so nt h ea c c u r a c yo f t i m ed i f f e r e n c e t h i sp a p e ra d o p t st h em e t h o dw h i c hc o m b i n e st h e h i g h - s p e e dt i m i n gw i t hc o r r e l a t i o na l g o r i t h mt oa c c u r a t d ym e a s u r et i m ed i f f e r e n c e ：t h ed e v i c e s t a r t st i m i n ga th i g h - s p e e dw h e ne x c i t e su l t r a s o n i c , a n ds t o p st h et i m i n gw h i l ea m p l i t u d eo f r e c e i v i n gs i g n a li sg r e a t e rt h a n t h e t h r e s h o l dl e v e lo f c o m p a r a t o r , a n da tt h es a m et i m e , i tw a k e s - u ph i g h - s p e e da d cn a m e da d 9 2 3 7t oc o l l e c tr e c e i v i n gs i g n a l a f t e rt h ec o l l e c t i o no f d o w n s t r e a ma n du p s t r e a m , s o f t w a r ea l g o r i t h m sc a l c u l a t et h ec o r r e l a t i o nf u n c t i o nt oc o m p e n s a t e t h et i m ed i f f e r e n c em e a s u r e db yh i g h - s p e l lt i m i n g , a n dt h e nh a sr e a l i z e dap r e c i s e m e a s u r e m e n to ft i m ed i f f e r e n c e ，s o f t w a r ea l s or e g u l a t e st h eu l t r a s o n i cv e l o c i t yv a t , r a gw i t h t e m p e r a t u r eo fm e d i u m ；a n dc o m p e n s a t e st h en o n - a v e r a g ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , t oa 馐吼t h e p r o f i t i n gf r o ma b o v ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o , w a r e , t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rc a nb e u s e dt om e a s u r et h ef l o wo fw a t e rw h e nd i a m e t e ri s3 0 m m 16 0 0 m m , a n df l o wi s 1 2 7 m 3 h , , , 1 5 0 m 3 h , c a na l s ob e u s e dt om e a s u r es i n g l e - p h a s ef l u i d sf l o wi no t h e re n v i r o n m e n t s t h i sd e v i c eh a sac a nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e , t h e r e f o r e , w ec 吼u s ei tt oe s t a b l i s ht h e f i e l dl e v e lf l o wm e t e rw i t h i nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ch o w m e t e r ；t i m ed i f f e r e n c em e t h o d ；c o r r e l a t i o nm e t h o d ； s t m 3 2 ；a g c 一 一 目录 摘要i l 绪论；。l 1 1 应用背景及研究意义l 1 1 1 课题的应用背景 1 1 2 课题的研究意义l 1 2 超声波流量计的发展历程和国内外现状3 1 3 超声波流量计的分类。二4 1 4 时差法测量原理5 1 5 安装方式分类7 1 6u 法安装方式。 1 7 本章小结 2 系统方案论述。1 l 2 1 整体方案介绍 2 2 测量精度的要求1 3 2 2 1 误差分配理论介绍1 3 2 2 2 目标精度对设计提出的要求1 5 2 3 本章小结：1 7 3 超声波信号的发射和接收1 8 3 1 高压电源设计。18 3 1 1 推挽式升压电路设计1 9 3 1 2 变压器的设计2 0 3 2 脉冲发射的实现2 2 3 2 1 脉宽调制理论2 2 3 2 2 发射电路设计2 3 3 3 带通滤波电路2 5 3 4 自动增益调整的实现2 7 3 5 阈值比较的实现j 3 1 3 6 接收信号的数据采集，3 2 3 7 本章小结3 4 4 相关法时差补偿算法。3 5 4 1 阈值比较法的局限性3 5 4 2 相关法的原理3 6 4 3 相关运算的实现3 7 4 3 1 时域相关计算3 7 4 3 2 频域相关计算。3 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 3 3 用f f t 计算f t 。3 9 4 4 流量的计算4 0 4 5 本章小结。4 0 5 系统的外围接口设计4 l 5 1 测量通道的轮巡k 4 1 5 1 1 发射方向控制4 l 5 1 2 通道选择4 2 5 1 3 继电器驱动电路。4 2 5 2c a n 总线通信。4 2 5 2 1c a n 总线收发数据的实现4 3 5 2 2c a n 总线上位机分析工具4 5 5 3 真空荧光显示4 6 5 4 本章小结 6 参数校正和抗干扰措施4 9 6 1 声速的校正4 9 6 2 流速的分布补偿5 0 6 2 1 流速分布探讨5 0 6 2 2 流速补偿方法探讨5l 6 2 3 流速补偿的实现5 3 6 3 硬件抗干扰措施。5 4 6 3 1 器件布局采取的抗干扰措施5 4 6 3 2 布线采取的抗干扰措施5 5 6 3 3 去耦电容配置5 7 6 3 4p c b 高级技术的实施5 8 6 4 本章小结5 9 7 整机效果分析6 0 7 1 流量测量主流程6 0 7 ：2 实验设备和实验方法。6 2 7 2 1 实验设备6 2 7 2 2 实验方法。6 3 2 ；论6 4 参考文献。6 5 在学研究成果。6 8 致谢6 9 内蒙古科技大学硕士学位论文 i 绪论 i i 应用背景及研究意义 1 1 1 课题的应用背景 目前国内很多高炉是采用循环水对高炉炉壁进行冷却的，冷却的好坏对于高炉的生 产和寿命都起着至关重要的作用。为保证高炉炉测顿行稳定、低耗优质、高产长寿，必 须对高炉冷却水的流量进行检测。原因有两点：一是高炉冷却系统热负荷在线监测需要 流量数据；二是循环水的流量可以反映冷却壁是否漏水。 在高炉冷却系统热负荷在线监测系统中( 如图1 1 ) ，利用冷却水的温度、流量等 原始数据，通过公式q 扩丫f f r 2 - t o 就可以计算出热负荷q 羲1 1 1 ( 式中f 表示冷却水 的流量；7 表示水的比热j k g ；t l 和t 2 分别表示进水温度和出水温度) ，用以 更好地指导高炉生产。可见冷却水流量的检测是一个重要的子系统，其检测值直接影响 “高炉专家系统”对炉况的正常判断。 图i i 高炉冷却系统热负荷在线监测系统结构 采用循环水对高炉炉壁进行冷却存在的一个问题就是：冷却壁经常出现漏水。漏水 开始时大多是缓慢的，这会在循环水的流量上反映出来。测量冷却循环水的流量可以为 检漏和后续的控制提供必不可少的数据。 1 , 1 , 2 课题的研究意义 近5 0 年来出现了许多新型测量原理的流量测量方法和仪表，使得流量计的应用领域 有了很大的扩展，走进了许多过去的禁区。但依然没有一种流量仪表能够满足各种对象 和用户的需求，主要是受到特殊测量对象的制约和大管径流量测量时高成本的制约。超 声波流量计具有运行稳定、计量精度高、管径适应能力强、非接触测量、可测特殊介质 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 强腐蚀、放射性、非导电性流体) 、安装方便、计量准确可靠，无压力损失，电子线 路集成程度高，易于数字化管理等特点1 2 3 1 表1 1 将超声波流量计的特点和成本与目 前应用的典型流量仪表做对比来说明超声波流量计的研究价值闱。 表1 1 各种流量计的性能比较 公称直径( 蛐)涡街 电磁 玻璃转子威力巴超声波 表1 1 和表1 2 的对比表明，超声波流量计对测量对象的种类和管径的大小适应能 力强，且量程宽、价格低廉。它的诸多优点，使其能够最大范围地适应各种用户的需 求，降低用户使用的难度、生产的成本和备用品的数量。因此日渐被国内很多科研机构 及厂家重视。又由于近年来电子元器件的成本大幅下降，超声波流量仪表的成本大大降 低，使其开始普及。目前是一个很好的发展契机。超声波流量仪表已经在电力、石油、 化工特别是供水系统的大管径流量测量中得到了广泛应用。目前，在小管径、低流速的 测量中还没有成熟的产品。 高炉炉壁冷却循环系统的水管管径为3 0 m m - 7 0 m m ，流量0 5 m s - 4 o m s 1 1 现有的 超声波流量仪在该管径范围内尚无成熟的应用。为避免使用多种流量计带来的维护和使 用麻烦，同时降低成本，提出了开发一套能构成现场总线系统并应用于工业环境的超声 波流量仪的课题任务，旨在向下拓宽其测量范围，同时提高测量精度、降低成本。 内蒙古科技大学硕：l - 学位i t ：x 本文采用3 2 位的a r m 处理器，结合互相关算法测量时差，开发具有更强适用能 力的低功耗、低价位超声波流量计，达到符合国外超声波流量计智能化、网络化、小型 化等发展趋势的目的。 1 2 超声波流量计的发展历程和国内外现状 国外将超声应用于流量测量的研究较早，并且进展很大。1 9 3 1 年，o r u t t e n 发表 的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献 s 1 但是要使超声波流量 计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到1 0 - 7 秒，这在当时很难达到。5 0 年 代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法1 6 1 ，就是通过多次循环将时差扩大再进行测 量这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得测量精度得以大大提高。1 9 5 5 年，应 用声循环法的m a x s o n 流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量，标志 着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得 到推广。随后，又出现了基于时间差法和波束偏移法的超声流量计。1 9 5 8 年， a l h e r d r i c h 等人发明了折射式探头、以消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真， 为换能器的管外夹装提供了理论根据。1 9 5 6 年，日本的里村茂夫首先将多普勒效应应 用于超声诊断，利用连续波多普勒法判断心脏瓣膜病。基于多普勒效应的超声波仪器在 医学治疗方面发展起来。1 9 5 9 年，d l f r a n k l i n 研制出脉冲多普勒超声。之后，多普勒 超声流量计开始应用于工业流量测量。 进入2 0 世纪的7 0 年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测 量成为可能。再加上高性能、工作稳定的锁相技术( p l l ) 的出现和应用，为超声波流量 计的可靠性提供了基本的保证。同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差 法超声波流量计。这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围 也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无 法保障小管径小流量测量时的精度。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速 分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出 了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论 基础。 2 0 世纪9 0 年代以后技术的革新，新材料、新工艺的不断涌现，智能化信号处理技 术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展，测量精度有显著突破，形成了迅猛发 展的势头。1 9 8 9 年，g a j a c k s o n 等人提出了小管径三声道超声波流量测量技术。1 9 9 4 年，英国g u i b e r t 等人开发出的新型超声波流量计，根据声速随温度变化的原理来测量 液体流量，可以用来测量小管径小流量。因管段内的温度分布随液体流动而改变，又引 起液体内声速发生变化，由超声波探头测出声速的变化，可以求得流速和流量。2 0 0 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 年，c h a p a 等人对小波在超声信号处理方面的应用进行了研究。2 0 0 1 年，c a l o g i r o u 等 研究了管道内壁的粗糙程度对流动可能产生的影响2 0 0 2 年，h a l i te r e n 等研制了具有 根据测量到的介质声速判断成分等辅助功能的超声波流量计超声波流量计早期应用局 限在液体流量计量，近年国外气体用超声波流量计发展很快。2 0 0 3 年，k u p n i k ，m a r i o 等人进行了高温气流超声波流量计性能的数字仿真，提出了一种基于光线跟踪模拟声音 折射和因为不同温度引起漂移的数字3 d 程序2 0 0 6 年，r e n a l d a sr a i u t i s 用插入式超 声波流量计测量法对湍急气流( 4 0 0 0 雷诺数 19 0 0 0 ，流速从1 4 m 3 h 到5 5 m 3 h ) l 撇剖 面进行了研究，并测得了多种情形下的流速曲线 7 1 随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正 以前所未有的发展速度向前发展。超声波流量计的全球市场总额将在今后5 年内 ( 2 0 0 5 2 0 1 0 ) 以9 6 的复合年增长率( c a g r ) 增长嗍 我国超声波流量计的研究起步较晚，6 0 - 7 0 年代机械工业部上海工业自动化仪表研 究所、北京大学相继进行超声波流量检测的研究。1 9 7 7 年，杨留印与姜天仕等人研制 出了e l j - 1 型超声波流量计阴。该流量计可以直接测出待测的瞬时流量和累计流量，能 以模拟量和数字量输出供远传。 我国于9 4 年正式出版了“j j g l 9 8 - 9 4 速度式流量计 的国家计量检定规程( 包括超 声波流量计) 和j j g ( 建设) 0 0 0 2 - 9 4 超声流量计( 传播速度差法、多普勒法) 的部门计量 检定规程。这是我国超声波流量计发展的一个标志【9 】。同年，唐山汇中仪表有限公司成 功研制了中国第一台具有全自动跟踪系统的超声流量计。 2 0 0 0 年，李广峰等人采用高性能的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现高精度计时和 复杂的逻辑控制，提高了流量测量系统的稳定性和可靠性；随后，杨嫒、宁晨、刘教瑜 等先后使用c p l d 、d s p 技术对超声波流量计做了进一步的研究。2 0 0 2 年，曹茂永等人 对高噪声背景下的超声信号进行了傅立叶频谱分析和成分分析。2 0 0 4 年，罗守南等人 研制了一款利用虚拟仪器技术解调1 5 k h z 中频回波信号的低流速多普勒流量计此流量 计使用z o o m - f f t 技术分析被解调的高频多普勒频移信号频谱，使用加权平均算法计算 多普勒平均频率，可以检测流速为o 0 2 m s 的流体。2 0 0 4 年，李明伟等人推导了适用于 管道流量测量的l a m b 波的色散方程，给出了在管道中通过调整超声波发射频率激发 l a m b 波的方法，分析了在他们的实验条件下管道中的声场分布，并建立了一套管道 l a m b 波理论。如今，国内生产超声波流量计的厂家众多，产品应用范围十分广泛。 1 3 超声波流量计的分类 根据信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分为噪声法、波束偏移法、传播速 度差法( 包括时差法、频差法、相位差法) 、多普勒法等类型【6 ，1 0 1 1 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 噪声法( 又称流动超声法) 是利用管内液体产生的噪声源与流速成比例的原理进 行流量测量的一种方法噪声法流量计设计简单，价格低廉，但是准确度较低 ( 2 ) 波束偏移法是依据超声波束在垂直于流体流动的方向入射时，会因流体的流 动而产生偏移的原理工作的。以偏移量的大小来度量被测流体的流速该方法的原理和 装置简单，在流速较高的场合有一定应用价值，但在低流速时的灵敏度与精确度较低。 ( 3 ) 传播速度差法的基本原理是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时的速度差 来反映流体的流速，具体的原理见本章下一节的详细介绍。 ( 4 ) 多普勒超声波流量计是另外一类被广泛应用的超声流量计。其测量原理是根 据物理学中的多普勒效应。把超声波发射到流动的流体中，随着流体一起运动的微小颗 粒将超声波反射到接收器，接收到的反射声波与发射声波之间产生了频率差( 多普勒频 移) ，该频率差正比于流体的流速。因而只要测出频率差，即可求得流速和流量。由于 多普勒法是通过测量不均匀流体中颗粒散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，因 此适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量超声多普勒流量测量技术在过去的几十 年中得到不断发展，出现了连续波多普勒、脉冲波多普勒、伪随机多普勒和调频多普勒 等多种测量模型。 综上所述，以上方法各有优缺点，因此应根据被测流体性质、流速分布情况、管路 安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。在高炉冷却水超声流量测量中，噪 声法和波束偏移法在低流速时的灵敏度与精度过低，实用价值不大。多普勒法适用于测 量含浮颗粒、气泡等两相流体的流量，而本课题测量对象是纯净单向水流量( 进入冷却 壁前的冷却用水，杂质含量小于2 0 0 m g l ，即实际流体可近似看作单相流体【l 】) ，若基 于多普勒法测量，会使得测量误差过大。故本文选用时差法进行测量。 1 a 时差法测量原理 根据表现形式不同传播速度差法又可以分为时差法、频差法和相位差、法【5 1 。时差法 最早应用于超声波流量计，方便、并且测量周期短( 对l i n 管径来说，约2 5 m s ) 。但是在 管径较小的时候，时差数量级很小，直接测量难度大所以在早期，时差法只用于测量 河川、海峡的流量等时差较大的场合。现在随着微电子技术的发展，高精度计时已经能 够实现，时差法逐渐被应用在测量管道内单相流体流量的场合频差法是循环多次的直 接法，响应慢，测量周期长，如当管径为8 0 0 r a m 时，取样一次的典型时间是4 s ，不能 实时测量。优点是精度高、受温度影响较小。由于相位测量技术较为复杂，并存在声速 c 的影响，相差法实际应用较少。 内蒙古科技大学硕士学位论文 通过对比筛选，本设计的测量原理选用时差法时差法是利用超声波在流动介质中 传播时，某些声学特性与在静止介质中的声学特性不同、及声学特性随流速而变化的原 理来测量流量的【1 2 1 3 1 。 图1 2 时差法原理图 现假设水流如图1 2 所示，则测量原理如下：控制电路先激励探头t l 发射超声波， 探头t 2 接收，然后探头t 2 发射，t l 接收。假设从t i 发射到t 2 接收到超声波的顺流渡 越时间为t i ，t 2 发射到t i 接收的逆流渡越时间为t 2 ，水流速为v ，超声波传播速度为 c ，探头t 1 到t 2 之间的管长为l 。则存在如下关系： 三 。f 万 t 22 = c - v 两式相减得： a t = t 2 - t i = 尚 ( 式1 1 ) ( 式1 2 ) ( 式1 3 ) 由于所测水速( 约1 - 4 m s ) 远小于超声波传播速率( 约1 5 0 0 m s ) ，所以在c 2 一v 2 项中v 2 是可以忽略的。因此可以得到水速，为： y ：竺出 ，= 一出 2 ( 式1 4 ) ( 式1 4 ) 计算得到的流速v 是直径方向上的线平均速度，而计算流量q 需要的是横 截面上的面平均流速，所以( 式1 4 ) 计算的流速是不够精确的，要除以一个流速分布补 偿系数k 。则流速v 为： v ：旦f 1 ，= 一f2 碰 ( 式1 5 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 进而可求得瞬时体积流量q 为： q ：坐= 刀d 2 c 2 缸、 4 k8 k l 累积体积流量q v 为： ( 式1 6 ) q ，= 譬胁 ( 式1 7 ) 可见，只要测出时间差a t ，就可以求得流量值。以上公式中的各参数分别为： d 传感器安装管道的内径。 l 两探头间的声道长度。它是经过对介质的流速、声源截面积、探头频率及管 径的计算而设置的。 c 超声波在水中的传播速度c 随温度而变化，计算中需对其进行校正。具体 方法见6 1 节。 k 流速在管道中的分布补偿系数。具体分析见6 2 节 测量原理决定了系统的工作流程如图1 3 所示： 顺流发射 士 l 逆流发射 士 1 分析和计算 显示和通讯 图1 3 系统的工作流程 1 5 安装方式分类 对于仅有两个超声波探头的流量计，探头的安装方式有六种，分别称为v 法、w 法、z 法、n 法、x 法和u 法【1 4 1 。下面分别予以介绍。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) v 法 v 法使用方便，测量较准确，可测管径范围为2 5 r a m 至大约3 0 0 0 r a m ；安装探头时注 意两探头水平对齐，其中心线与管道中心线成水平一线，如图1 4 所示 图1 4v 法安装示意图 ( 2 ) w 法 使用w 法时，超声波束在管内折射三次，穿过流体四次，共经历了四个声程通 过延长超声波传输距离的手段，提高了小管径的测量精度，适用于测量5 0 m m 以下的小 管。安装示意如图1 5 所示。 ( 3 ) z 法 有时候管道很粗或由于液体中存在悬浮物，管壁结垢太多及衬里太厚，而造成v 法不能正常工作时，要采用z 法安装。这是因为超声波在管道中直接传输，没有折射， 这种情况又称单声程。z 法的原理如图1 6 所示。 1 丽丽虱 b 、 乏 睁夏琵幕而一隹塑垫丝墨 图1 6z 法安装示意图 1 丽丽日 b 蒺琵焉面一在塑垫壁墨 图1 7n 法安装示意图 ( 4 ) n 法 n 法安装如同w 法，也是通过延长超声波传输距离来提高测量精度的。超声波束 在管道中折射两次穿过流体三次，经历了三个声程，适于测量小管径管路。如图1 7 ( 5 ) x 法 当流场分布不均匀，而仪表前的直管段较短时也可采用多声道( 例如双声道或四声 道) 来克服流速扰动带来的流量测量误差。若采用双通道方法，即x 法安装，对两通道 进行综合，从而可以尽量的排除不确定结果的影响，提高测量精度。双通道x 法安装 如示意图1 8 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 。荔嘲 b 乏 i 蘸琵磊而一1 紊游换能器 图1 8x 法安装 ( 6 ) u 法 针对其他安装方式声程短，不适应小管径和低流速时转换系数变化大的缺点，将超 声流量传感器在声道布置和流量通道等结构设计上作些改进，便形成了图1 9 所示的u 法安装。 1 6u 法安装方式 一般小管径的管道，超声波的声程只有几十厘米甚至几厘米长( 如本设计测量对象 的管径3 0 m m ) ，这对声速的测量精度要求很高。为大范围扩大声程，本设计采 用如图1 9 所示的u 型平行法来安装超声波换能器【l 】 釉呈耋娑呈盎御 三i匝三通 整个流量传感器由2 个三通、2 个超声探头和1 支直管组成。直管长l 是经过对介 质的流速、声源截面积、选用探头频率及管径的计算而得。应用于液体小流量测量，u 型安装具有如下优点： ( 1 ) 扩大了声程长度，使传播时间变长，提高了时差测量的精度。 ( 2 ) 避免发射波耦合到回波里。因为发射信号功率较大，通过电路和声路都可以耦 合到接收电路上。如果管径很细，收发波之间的距离很近，这一发射干扰的尾部就会波 及吸收波，从而严重影响接收信号。 ( 3 ) 避免了引入声波折射角【1 5 ，1 6 1 。在其他斜声束传播的安装方式下，声波折射角会 随声速变化，声波折射角的改变又会引起声波传播距离的改变，导致计算流速的误差。 传感器采用u 型安装时，超声波在管道中心轴向沿直线传播，没有引入声波折射角， 避免了该项误差的产生。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 超声波换能器内置于管道中，避免了超声波穿透管壁时带来波形畸变的影响，也 不必考虑管内衬结垢和锈剥离对声波的伏负作用【1 7 1 选用的三通和直管都是普通管配件， 结构简单，组装方便。 ( 5 ) 避免了经过金属管道传播的超声信号【1 刀像v 、w 、x 安装方式都是换能器固 定在金属管壁同侧，实验表明在接收到的信号中首先会接收到到来较早、强度较大、经 管体本身传来的超声波，而不是经流体传来的回波。而这个干扰信号的频率和特性与回 波十分相似，极有可能破坏系统的正确测量。 u 法安装在具有上述优点的同时，也不可避免的存在如下缺点l ( 1 ) 这种结构要改动管道流向，管道布置复杂。 ( 2 ) 在流体入i z l 和出i z l 处造成了一定的漩涡，带来了流场分布的误差。所以安装时 三通的弧度要大。制作的实验用传感器安装管道如图1 1 0 所示。该安装方式也可以改 进为按一定角度倾斜流入和流出。 图1 1 0 传感器安装管道 1 7 本章小结 本章首先从超声波流量计的特点出发，介绍了课题在高炉冷却水流量测量背景下的 应用价值和研究意义，探讨了超声流量测量技术的研究现状和技术难点。继而详细论述 了超声波流量计的分类以及换能器的安装方式。最后针对测量对象的特点，选取了时差 法测量原理和u 法安装方式，并对二者的原理和优缺点进行了详细分析。 图2 1 系统的整体结构 系统的工作过程如下：首先，高压电源电路将2 4 v 直流电压转换到激发超声波必 须的5 0 0 v 以上的高压。当处理器控制可控硅导通时，发射电路顺流发射一次超声波， 同时启动计时。然后，等接收传感器收到接收信号后，信号处理电路对接收信号进行滤 波和初级放大。由于接收信号的幅值受测量环境和流速的影响较大，所以设计了自动增 益调整电路( a c ) 和算法将其幅度稳定在+ 2 v 范围内。a g e 的输出被送往a d 转换 和比较器的入口。比较器检测到接收信号大于阈值时，处理器停止计时并锁存顺流渡越 时间t l ，同时a d 转换器开始采回完整的接收信号。为确保比较器能接收到接收信号的 第一个周期，该装置设计了可调的阈值，以降低测量的丢弃率。顺流的波形采集完成 后，再在逆流方向上重复上述步骤测得逆流渡越时间t 2 并采回逆流的接收信号。至此 可以用t 2 - t l 初步计算出顺逆流时差a t 。然后，相关算法通过对采集的顺、逆流接收信号 进行分析，确定出顺、逆流接收信号的时差补偿量a t ，对计时测得的时差进行修正以 获得精确的时差a t 。最后，将t 代入式( 1 4 ) 计算出流速，进而用式( 1 5 ) 计算出 流量送v f d 显示和上位机，完成一次测量。另外，由于声速c 随介质温度变化明显、 内蒙古科技大学硕士学位论文 流速在管道中分布不均，所以在计算中对( 式1 5 ) 中的声速c 进行了温度补偿、对 道流速进行了分布补偿，进一步保证了流量测量的精度。 处理器选用a r m3 2 位的c o r t e x t - m 3 系列增强型c p u ：s t m 3 2 f 10 3 r e ，它在本 计中的应用如图2 2 所采1 8 1 。s t m 3 2 f 1 0 3 r e 具有下面一些特点【1 9 1 ： ( 1 ) ( 2 ) 最高7 2 m h z 的工作频率，具有单周期乘法和硬件除法功能 管 设 5 1 2 k 字节的闪存程序存储器：高达6 4 k 字节的s r a m ；带4 个片选的灵活的 静态存储器控制器； ( 3 ) 2 通道1 2 位d a 转换器。 ( 4 ) 1 2 通道d m a 控制器。支持定时器、a d c 、d a c 、u s a r t 等外设。 ( 5 ) 2 个控制定时器，6 个通用计时器，满足软件中时序控制和定时的需求 ( 6 ) 多个u s a r t 外设，方便与外界沟通。 ( 7 ) 符合2 0 a 和2 0 b 协议的主动式c a n 控制器。 t 蕾s t m 拍霄1 0 j 刁1 甚 图2 2 处理器电路原理图 内蒙古剩- t t z k 学硕士学位论文 2 2 测量精度的要求 2 2 1 误差分配理论介绍 在式( 1 6 ) 中各参数都有可能引入误差。下面就对与流量测量相关的各个量逐一进行 分析 2 0 l 。对超声流量计来说，系统一旦安装完毕，各参数设定好之后，各参数引入的误 差也就确定了。因此超声波流量计的误差主要为恒值系统误差，