（机械电子工程专业论文）基于时差法的超声波流量测试系统研究.pdf

学位论文作 有关部门或机构 大学可以将本学 或扫描等复制手 本学位论文属于 学位论文作者签 1 7 1 期- 珈挥 系统研究 r e s e a r c ho nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e do nt r a n s i tt i m em e t h o d 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 超声波流量测量技术是根据流体流动对超声脉冲传播速度的调制作用来实现测量的 新型测试技术。本论文涉及的超声波流量计是采用外夹结构的液体超声波流量计，该类型 流量计具有非接触测量、量程范围宽的特点，在其他插入式超声波流量计难以安装以及一 些临时性流量测量场合应用具有一定的便捷优势。针对当前国内此类超声波流量计在应用 中的问题，本论文主要在超声脉冲硬件编码方面进行了一些设计工作，以期提升有效信号 比例，提升流量计响应速度。另外还在温度测试与补偿方面做了一些工作，给出了在温度 适应性，精度方面得到提升的测量技术。 本文在分析了超声波流量计各种测量方法的测量原理和特点的基础上，设计了一套基 于改进时差法的超声波流量测试系统，采用一对超声波探头交替地发射和接收超声波信 号，系统处理核心是1 1 的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，确保系统响应速度，并给出了硬件 与软件方案。 流量计二次表部分设计工作包括器件和芯片的选择、具体参数的计算和功能的实现， 包括超声波发射电路、接收电路、探头收发切换控制电路、时间测量电路、测温电路以及 d s p 核心电路等。系统采用对方波信号经f s k 调制后驱动超声波换能器发射超声波，接 收端进行超声波信号解调，来定位超声波信号到达的时刻。超声波编码信号在介质中的传 播时间采用德国a c a m 公司的时间测量芯片t d c g p 2 测量。 软件部分包括p w m 波的控制产生、瞬时流量积算以及通讯等。程序的调度与管理采 用，兀的d s p b i o s 实现。 另外，本论文对该液体超声波流量计进行了试验研究，测量结果进行了标定，并对标 定结果进行了修正。 最后对本流量测试系统的工作作了总结，并展望了后期工作。 关键词：超声波流量计；时差法；数字信号处理器；调制解调：传播时间 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e do n t r a n s i tt i m em e t h o d a b s t r a c t f l u i df l o wm o d u l a t e s p r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fu l t r a s o n i cp u l s e ，a c c o r d i n gt ot h i s ，u l t r a s o n i c f l o wm e 删e m e m t e c h n o l o g yw h i c hc a nm e a s u r ef l o wi san e wm e a s u r e m e mt e c h n o l o g y t h e u l t r a s o n i cf l o w m e t e ri n v o l v e di nt h ep a p e ri sl i q u i du i t r a s o n i cf l o w m e t e ri n s t a l l e do u t s i d et h e p i p e t h i st y p eo ff l o w m e t e r sw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，谢d em e a s u r i n g r a n g e ，h a ss u p e r i o r i t yi na p p l i c a t i o no no t h e rp l u g i nu h a s o n i cf l o w r n e t e r sd i f f i c u l tt oi n s t a l l a n dt e m p o r a r yf l o wm e a s u r e m e n to c c a s i o n s f o rt h ep r o b l e m so ft h i sd o m e s t i cu l t r a s o n i c f l o w m e t e ri nt h ea p p l i c a t i o n , m a i n l ys o m ed e s i g nh a sb e e nm a d ei nh a r d w a r ec o d i n go f u l t r a s o n i cp u l s ei nt h ep a p e r , s o 硒t oe n h a n c et h ee f f e c t i v es i g n a lr a t i oa n di m p r o v er e s p o n s e s p e e do ft h ef l o w m e t e r i na d d i t i o n , s o m ew o r kh a sb e e nd o n ei nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d c o m p e n s a t i o ni nt h ep a p e r t h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p r o v et h et e m p e r a t u r e a d a p t a b i l i t ya n dp r e c i s i o nw a ss t u d i e d o nt h e b a s i so fa n a l y z i n gm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u s n l t r a s o n i cf l o w m e t e rm e a s u r e m e mm e t h o d s ，as e to fu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e ms y s t e mb a s e d o ni m p r o v e dt r a n s i tt i m em e t h o dw a sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h es y s t e mu s e sa p a i ro fu l t r a s o n i c t r a n s d u c e r sa l t e r n a t e l yt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gu l t r a s o n i cs i g n a l s t h ec o r eo fp r o c e s s i n gi s t i sd s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 812 ，s oa st oe n s u r ef a s tr e s p o n s e h a r d w a r ea n ds o f t w a r es o l u t i o n s h a v e b e e ng i v e n t h ed e s i g nw o r ko fs e c o n d a r yi n s t r u m e mo ff l o w m e t e ri n c l u d e ss e l e c t i o no fd e v i c e sa n d c h i p s ，c a l c u l a t i o no fs p e c i f i cp a r a m e t e r sa n dr e a l i z a t i o no ff u n c t i o n s ，t h ed e s i g no ft h e u l t r a s o n i ct r a n s m i t t e da n dr e c e i v e d c i r c u i t s ，t r a n s d u c e r ss w i t c h i n gc o n t r o lc i r c u i t , t i m e m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e mc i r c u i t ，d s pc o r ec i r c u i ta n ds oo n t h e s y s t e mu s e st h ef s ks i g n a lt od r i v et h eu l t r a s o n i ce m i s s i o no fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r sa n dt h e r e c e i v i n gc i r c u i t sd e m o d u l a t et h eu l t r a s o n i cs i g n a l s ，s oa st op i n p o i n tt h ea r r i v a lt i m eo f u l t r a s o u i cs i g n a l s p r o p a g a t i o nt i m eo fc o d e du l t r a s o n i cs i g n a l si nt h em e d i u mi sm e a s u r e db y t i m em c a s u r e m e mc h i pt d c g p 2o fg e r m a na c a m c o m p a n y i i i i i 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 超声波流量计发展历程与研究现状3 1 2 1 超声波测量技术发展概况3 1 2 2 超声波流量计国内外研究现状4 1 3 本文研究的目的与主要内容6 第二章超声波流量计的原理及方案设计8 2 1 流量的基本概念8 2 1 1 流量8 2 1 2 总量8 2 2 超声波流量测量的原理9 2 2 1 传播速度差法9 2 2 2 多普勒法j 1 1 2 2 3 相关法1 1 2 3 总体方案的确定1 2 2 4 超声波换能器的选择：1 3 2 5 本章小结1 4 第三章时差法超声波流量测试系统的硬件方案分析1 5 3 1 系统的硬件方案一1 5 3 2 系统的测时分析16 3 3 本章小结18 第四章系统硬件的具体实现1 9 4 1 超声波发射电路一1 9 4 1 1f s k 调制信号的产生1 9 4 1 2 超声波探头收发切换控制2 4 4 2 超声波接收电路2 5 4 2 1 放大滤波电路2 5 i v 1 。 浙江理工大学硕士学位论文 4 2 2 解调电路：2 7 4 3 时间测量电路2 9 4 4d s p 核心系统设计3 2 4 4 1d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介3 3 4 4 2d s p 的电源设计3 3 4 4 3j t a g 接口电路3 4 4 4 4 通讯电路3 4 4 5 测温部分3 5 4 5 1 三线制p t l0 0 的测温方法3 6 4 5 2 四线制p t l0 0 的测温方法3 7 4 6 本章小结3 8 第五章系统的软件设计3 9 5 1c c s 开发环境3 9 5 2d s p b 1 0 5 ；：；9 5 3 超声波流量计系统进程的调度4 0 5 4 流量测试系统软件的实现一4 2 5 4 1p w m 波的产生4 2 5 4 2 时间测量部分4 5 5 4 3 流量的测量4 7 5 4 44 8 5 通 乳一4 7 5 5 本章小结4 9 第六章超声波流量计试验研究5 0 6 1 超声波流量计的安装5 0 6 2 液体超声波流量计的标定试验研究5 0 6 2 1 超声波流量计的实流标定51 6 2 2 标定结果修正5 2 6 3 本章小结5 4 第七章总结与展望5 5 7 1 本文研究工作总结5 5 7 2 研究展望5 5 v 浙江理工大学硕士学位论文 参考文献5 7 致 谢6 0 攻读硕士学位期间的研究成果6 1 v i 一 ，j 浙江理丁大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 流量与温度、压力并称流程工业的三大测量内容，在现代社会生活中扮演着重要的角 色，具有不可替代的作用。流量计量在经济可持续性发展的水资源管理，国家经济命脉的 石油、天然气的运输，化工生产控制的原料流量计量等方面得到了广泛的应用。我国能源 与资源相当缺乏，在注重节约能源、保护环境、提高效益和产品质量的今天，不管是在工 业生产当中还是在日常生活当中都能涉及到对液体或者气体计量的问题，流量计量与国民 经济的发展有着密切的关系，它的重要性被越来越多的人所认识。随着现代工农业特别是 流程工业的发展，除了测量不确定度、重复性、稳定性等基本指标外，在测试速度、压力 损耗、量程比、功耗等方面都对计量提出了越来越高的要求，也促使了流量测量技术和仪 表的研究与开发工作的深入，推动科学技术的发展。 流量测量技术与计量仪表的发展速度很快，为了测量不同种类、不同流动状态下的流 体流量，新型流量计不断涌现，根据流量计的原理可以分为：差压式流量计、容积式流量 计、涡轮流量计、浮子流量计、电磁流量计、流体振动流量计、质量流量计、超声波流量 计等几十种流量计1 ，舶。 l 、差压式流量计 差压式流量计是利用安装在管道中的检测元件产生的差压p 、流体的条件、管道的 尺寸来进行流量测量的。它包括节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计等。节流装置 种类很多，如耐磨孔板、文丘里管，锥形入口孔板等。差压式流量计历史悠久、技术成熟、 使用寿命长、价格便宜，是应用极为广泛的一种流量计，但其测量范围小、能量损耗较大。 2 、容积式流量计 ， 容积式流量计是将利用机械测量元件将流体连续不断分割成单个体积，并不断计量流 量的仪表。它结构简单，测量精度高，可以测量液体或气体的流量，根据结构形式，可以 分为转子型、刮板型、活塞型等流量计，在工业中得到广泛应用。其缺点是体积庞大，温 度适应性不高。 3 、涡轮流量计 涡轮流量计的原理是：当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使 涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转【3 】，其旋转的角速度与管内的平均流速成正 l 浙江理工大学硕士学位论文 比，涡轮转速目前大多通过磁感应方式来测量，是应用最广的速度式流量计。涡轮流量计 量程比宽，适应性强，准确度高，但流体的特性对流量产生影响。 4 、浮子流量计 浮子流量计是一种改变流通面积的流量计，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形 截面的浮子在流体作用下在锥管内自由地上升和下降 2 1 。在流速和浮力作用下上下运动， 与浮子重量达到平衡后，通过磁耦合传到与刻度盘指示流量。它可分为玻璃浮子流量计和 金属管浮子流量计两大类，玻璃管易碎，所以金属管浮子流量计在工业上比较常用 4 1 。它 应用宽广，仅次于差压式流量计。 5 、电磁流量计 电磁流量计利用法拉第电磁感应定律制成的5 1 流量计，通过测量电动势的大小来反映 导电介质流量的多少，检测元件在测量管外部，适合测量那些脏污流、腐蚀流等流体，测 量精度建立在流体充满管道的情形。电磁流量计无节流部件，因此压力损失小，能耗低， 且测量范围很宽，但其容易受外界电磁的干扰，随着技术及工艺的进步，其稳定性、精度 等也在不断提高，是一类可用于特殊场合且又能节能的流量测量仪表，被测介质局限性较 大。 6 、流体振动式流量计 流体振动式流量计分为涡街流量计、旋进旋涡流量计和射流流量计三类。它的原理是 在一定条件下，流体产生振动，其振动的频率与流体的速度成正比。主要用于工业管道的 流量测量，如石油、化工等。在压损方面比传统的流量计有着较大的优势，测量范围宽， 一般可达1 0 ：1 以上。在气体、液体、蒸汽等的测量获得广泛应用。流体振动式流量计的 缺点是流体波动、外界环境的振动和噪声会对其的测量精度产生一定的影响，同时计量下 限过高，导致它的应用受到了限制。 7 、质量流量计 质量流量计是采用直接式或间接式来计量质量流量。直接式质量流量计是输出信号直 接与被测管道的质量流量成正比的流量测量仪表。典型的有科里奥利质量流量计、热式质 量流量计。科里奥利质量流量计具有精度高，测量受流体温度、压力等变化影响d d 6 1 ，但 其存在着较大的压力损失。热式质量流量计是用于测量和控制气体质量流量的新型仪表， 主要测量微小的气体质量流量，但精度不够高。间接式质量流量计是通过多种仪表的组合 来推测的质量流量值。 8 、超声波流量计 2 浙江理工大学硕士学位论文 利用超声波来测量流量是超声波在工业检测中发展较早的应用技术之一，与其它的流 量计相比，超声波流量计具有以下优点【7 ，8 】： 1 ) 、非接触测量，超声波流量计可以安装在待测管道外侧，这种非接触式测量方法， 无压力损失【9 】，不破坏流场，测量结果几乎不受被测流体密度、粘度等参数的影响，其部 件不会被介质腐蚀和磨损，因此特别适合测量那些强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易 爆介质的流量测量。 2 ) 、通用性好，对待测介质没什么要求，只要能传播超声波的介质就能对其进行管外 测量，适用于多种气体、液体流量的高精度计量。 3 ) 、安装、使用、维修方便，容易操作，管外测量不需要改动管道和中断流体的流动， 不会影响生产。 4 ) 、测量范围宽，同一个超声波流量计适用于多种管径的测量，可见费用与管道口径 大小几乎无关。解决了大管径难以测量的问题，降低了成本，而且无运动部件，使用寿命 长。 超声波流量计在各种管道的流量测量等方面得到了极为迅速地发展，尤其是伴随着电 子技术的快速发展，超声流量测量技术已发展的较为成熟，正日趋成为测流工作的首选工 具【1 0 1 。 1 2 超声波流量计发展历程与研究现状 1 2 1 超声波测量技术发展概况 超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来 测量流体流量的新的测量技术。这种技术不仅应用在工业的石油、水资源的管理等各方面， 而且在医疗、海洋观测、河流及各种计量测试中都有着广泛的应用。 2 0 世纪3 0 年代，r u t t e n 发表的专利提出了用声信号测量流量，带动了各国超声波流 量测量的研究，如美国、意大利等相继出现，但都没有大的进展，都局限于对相位差法的 研究。5 0 年代，出现“鸣环”测量法，即通过多次循环测量，其测量周期长，响应慢， 系统可靠性差。2 0 世纪7 0 年代中后期，由于电路技术的发展，使得超声波流量计克服了 一些以前的弱点，使高精度时间测量成为可能，加上具有高性能的锁相环( p l l ) 技术的应 用，使得超声波流量计的性能开始完善，在稳定性和可靠性方面得到了提高。声速变化会 对测量结果产生影响，所以出现了频差法，来消除声速带来的误差。锁相频差法测量方法， 3 浙江理工大学硕士学位论文 测量周期短，响应速度快，所以这种测量方法在大管径大流量的超声波流量计的设计得到 应用并且测量精度得到保证，但缺点是不能应用在小管径小流量的测量，保证不了测量的 精度。加上前苏联的科研工作者通过大量的实验对管道内流体作了深入的研究，得出管道 内流体流动存在层流和紊流两种状态，并给出了层流状态与紊流状态下流速分布规律，为 了使超声波流量计的测量更加准确，精度得到提高，提出了流速修正系数及理想状态下的 理论计算公式【1 1 】。至此，性能日益完善的超声波流量计投入市场，开始迅速发展起来。 到了8 0 年代，随着电子技术及相关理论的发展，超声波流量计的种类也越来越多， 其中最主要的是频差法、时差法、多普勒法、相关法、射束位移法【1 2 1 等。后来单片机技 术在超声波流量计得到应用，有了单片机做核心控制处理单元，使得系统能够进行复杂的 数据运算、分析与逻辑处理，还能设计出方便于用户使用的人机界面，使得超声波流量计 向高性能、智能化方向发展。单片机在超声波流量计中的使用，超声波流量计真正开始走 向了成熟。 最近1 0 多年来，由于微处理器技术的进步、高速数字芯片的出现和数字信号处理技 术的成熟，以及先进压电陶瓷和材料加工技术的发展，对超声波声道的不同配置【1 1 】和对 流体动力学的深入研究，超声波流量测量技术取得了巨大的进步，在越来越多领域得到了 应用，具有广阔的发展前景。 1 2 2 超声波流量计国内外研究现状 当今全世界超声波流流量测量技术处于领先水平的国家有：美国、日本、荷兰、德国、 英国、和加拿大等。它们在超声波流量计方面具有较高的技术，在研制和生产方面具有丰 富的经验，占据了很大部分份额的超声流量计市场，主导着超声波流量计的发展趋势。较 著名的有荷兰的i n s t r o r m e t 、美国的c o n t r o l o t r o n 和p l o y s o n i c s 、德国的k r o h n e 等【1 3 j ，他 们的测量技术和测量精度都达到了较高的水平。较多的国外产品采用数字信号处理技术， 如“同步调制”和f f t 技术，同时结合功能强大的d s p 技术，实现快速实时地对超声波 信号进行处理，并实现一些复杂的测量或数据处理算法。在测量方法方面有的利用改进的 算法，来提高系统的测量精度，使得超声波流量计得到更广泛的应用。 我国对超声波流量计的研究起步较晚，发展时间并不长。早期使用的都需要从国外购 买。后来通过科研人员的努力，引进国外先进技术，使得超声波流量计发展起来。国内生 产超声波流量计厂家主要有唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、上海自 动化仪表有限公司、大连长风电子有限公司、大连索尼卡电子有限公司、北京衡安特测控 4 浙江理工大学硕士学位论文 技术有限公司等【l3 1 。但是我们的产品和国际水平还是存在较大的差距，我们大多采用简 单的算法和以单片机为系统核心进行信号处理，使得在信号处理速度和精度上受到限制。 目前国内外较多的采用多普勒法和时差法来实现超声波流量测量技术。但在应用对象 上有一定区别，其中多普勒法主要用于含有较多的悬浮颗粒和气泡的场合，时差法主要用 于测量均匀纯净的流体。有些场合也采用两种混合的方法。 近年来由于大规模集成电路技术的发展，数字处理技术越来越成熟，d s p 芯片的功 能日益完善与强大，以其精度高、处理速度快、性价比高等优势，被越来越多的领域所使 用，为超声波流量计的发展提供了有利条件，以及高精度测时芯片的出现，为时差法超声 波流量计的计时精度提供了保证。以软、硬件资源丰富的d s p 为处理核心的超声波流量 计来广泛取代国内的以单片机为核心的超声波流量计，并结合一些数字信号处理技术来对 信号进行处理分析等，来改善超声波流量计的测量精度，使我国的超声波流量测试技术能 与国外技术相抗衡，带动科学技术的发展，更好的为国民经济作出贡献。 图1 1 给出了几种超声波流量计产品的照片，美国康乐创的1 0 1 0 p 便携式超声波流量 计，采用外夹式安装换能器，内置时差式和多普勒式两种测量技术，既可以测量脱离子水 也可以测量高含气或固体颗粒的液体，可测量的管径范围从6 m m 到1 0 m ，精度为o 5 。 大连索尼卡的f v 3 0 1 8 是管外测量时差式超声波流量计，测量管径从1 5 m m 到6 m ，精度 为士1 o 。上海横特自动化仪表的t d s 1 0 0 h 手持式超声波流量计，采用时间差超声测量 原理，适用管径范围为1 5 m m 到6 m ，精度优于1 。大连大禹仪器仪表的t d s 1 0 0 s 盘装 式超声波流量计，口径也是1 5 r a m 到6 m ，是国内最先到达精度为l 的超声波流量计。 可见国内的超声波流量计落后于国外的超声波流量计。 浙江理工大学硕士学位论文 ( i ) 1 0 1 0 p 便携式超声波流量计 厂商：美国康乐创c o n t r o l o t r o n j 蒜嘉司 j ；隧瓣瓷；i | ； ；一j + 鸳j 薹 一 j；。+ ：。 l l 弘：, ? i 。- j ；淄 ”歹飞r 灞落彳 ( 2 ) f v 3 0 1 8 固定式超声波流量计 厂商：大连索尼卡电子有限公司 ( 3 ) t d s 一1 0 0 h 手持式超声波流量计( 4 ) t d s - 1 0 0 s 盘装式超声波流量计 厂商：上海横特自动化仪表有限公司厂商：大连大禹仪器仪表有限公司 图1 1 超声波流量计产品图 1 3 本文研究的目的与主要内容 超声波流量计以其多方面的优势，在工业流量测量的很多方面都获得了广泛的应用。 国内的超声波流量计价格比国外的便宜，但是总体性能上相对较差；国外的超声波流量计 大都采用先进的测量技术，使得在测量精度、和其它性能等方面都要优于国内生产的流量 计，但是其价格也相当昂贵，就使得超声波流量计在国内工业领域大规模的使用受到限制。 因此，针对国内超声波流量计存在的问题，有必要在现有研究的基础上，深入研究并解决 目前存在的影响超声波流量计推广使用的几个典型问题，使其在温度适应性、瞬态测量、 流量传感系统响应速度等几个指标上能获得提升，以便于在国内工业、民用测量应用方面 得到更好的推广。 本文确立了系统的整体方案，在理解超声波换能器工作原理的基础上，设计了以d s p f 2 8 1 2 处理器为核心的超声波液体流量测试系统。论文研究的主要内容如下： f ； 浙江理工大学硕十学位论文 第一章：阐述流量测量的背景和课题的研究意义，综述超声波流量计的发展历程和国 内外研究现状，确立了本文的主要研究内容。 第二章：介绍了流量的基本概念，并对超声波流量测量原理进行了分析，针对超声波 流量计测量精度容易受温度影响的问题和结合本系统的要求，利用改进型算法避免温度对 测量精度的影响，并确立了系统的总体方案。 第三章：针对阈值法出现的误差问题，给出了时差法超声波流量测试系统的硬件方案， 并对方案作了具体分析与时间测量的具体实现过程。 第四章：设计了超声波流量测试系统的具体硬件，包括超声波发射电路、接收电路、 d s p 系统电路、测温电路。 第五章：对超声波流量测试系统的任务进行了分配与调度，给出了p w m 波产生、时 间测量、流量测量、4 8 5 通讯的软件设计。 第六章：对液体超声波流量计进行了试验研究，包括实流标定和结果的修正。 第七章：对全文所做的工作进行总结，以及后续研究的展望。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 i 流量的基本概念 2 i i 流量 第二章超声波流量计的原理及方案设计 流量是单位时间内流过管道横截回积或明渠横断回的流体量。流量司以用体积流重 q v ( m 3 s ) 或质量流量g m ( k g s ) 表示1 4 m 1 ，用数学表达式可以分别表示为 = 警= “ 2 - ( 1 ) 2 石2 伽 j = 等= 州 2 - ( 2 ) 彳= 等 2 - ( 3 ) 式中，v 是流体体积，m 是流体质量，f 是时间，p 是流体密度，v 是管内平均流速，d 是 管道直径，么是管道横截面积。 如果流体的流动是不随时间显著变化的，称之为定常流，2 - ( 1 ) 和2 一( 2 ) 式中时间a t 可 以取任意单位时间。如果流动是非定常流时【阍，流量随时间不断变化，式中a t 取足够短 的时候，可以认为在该段时间内流体流动是稳定的。所以，流量的概念是瞬时的概念，通 常所指的流量是瞬时流量【1 5 】。 2 1 2 总量 在一段时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体总量称为“累积流量 ，也常被称 为“总量”。累积流量也可以用体积流量的累积和质量流量的累积来表示，数学表达式分 别为 本论文中的流量指的是体积流量。 y ：k 田 2 一( 4 ) 8 2 一( 5 ) 办 m ，弘。 i lm 浙江理工大学硕十学位论文 2 2 超声波流量测量的原理 超声波流量计按其测量原理其常用的测量方法有：传播速度差法、多普勒法、相关法、 波束偏移法、噪声法、旋涡法、流速液面法等1 7 1 ，各种方法在流量测量测量中具有 各自的特点，可以根据被测流体、精度要求等来选择哪种类型的超声波流量计。最常用的 是传播速度差法和多普勒法【1 8 l 。 2 2 1 传播速度差法 传播速度差法是根据超声波信号在流体介质中，受介质流速的影响【1 9 1 ，导致顺流传 播和逆流传播速度不同，从而来计算流速，进而求得流量的。按所测物理量的不同可以分 为时差法、频差法和相位差法f 2 0 1 。就超声波探头的配置方法不同，传播速度差法又分为：z 法( 透过法) 、v 法( 反射法) 、x 法( 交叉法) 等【2 1 2 2 1 ，如图2 1 。 勉越 z 法( 透过法)v 法( 反射法)x 法( 交叉法) 图2 1 传播速度差法的基本配置法 当流体平行于管道中心轴方向流动时，采用直接透过法( z 法) 测量，能够得到较好的 精度。当流动的方向与管道中心轴不平行或存在着沿半径方向流动的速度成分时，采用发 射法( v 法) ，可以避免由速度分量产生的误差。当换能器安装间隔受到限制时，可用v 法的变形方法交叉法( x 法) 。 图2 2 传播速度差法原理图 l 、时差法 时差法是利用超声波在流体中传播的时间差来测量的 2 3 , 2 4 l 。如图2 2 中，超声波在静 止流体中的速度为c ，流体的速度为v ，管径为d ，发射角为秒。 顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为： 9 浙江理工大学硕士学位论文 dj c o s 0 s c + v s i n e 逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为： d c o s o 1 c - v s i n p 传播时间差为： 2 - ( 6 ) 2 一( 7 ) f = 厶一= 丽驴2 d 两v s i n 0 2 一( 8 ) 址2 厶一2 丽丽蕊而 2 一( 8 ) 由于超声波传播速度c 远远大于流体速度1 ，故可以认为c 2 一v 2s i n 2 口c 2 ，得 f ：2 d v t r a n 02 - ( 9 ) 由此可得： v = 二_ a t 2 - ( 1 0 ) 2 d t a n 口 一 2 、改进时差法 上面时差法流速的方程2 - ( 1 0 ) q h 含有声速c ，在介质中它受温度的影响较大，会随着 温度的变化而发生变化，从而影响了测量的准确度，因此采用上述的时差法测量流速时必 须要进行温度补偿1 1 4 , 2 5 1 ，对时差法进行改进。 改进的时差法原理： 顺流方向超声波脉冲在流体中的传播速度为： c + v s i n o ：一c o s 0 2 ( 1 1 ) 逆流方向超声波脉冲在流体中的传播速度为： h s i i l 口： 2 - ( 1 2 ) 上面两式相减得到， v = 锄乎2sin 羽3 ， v = 上竣型羔兰 一( 1 3 ) 2 t ，1 9 、。 由此可以看出，与一般的时差法相比，改进时差法公式中不含声速c ，只要测出顺流 和逆流传播时间f l 和，就能求出流速v ，避免了系统受温度的影响，从而提高了系统的 测量精度，但这种方法对数据处理提出了更高的要求【2 5 】。 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 多普勒法 多普勒超声波流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的【2 6 1 。多普勒效应可表述为 当发射器和接收器之间有相对运动的时候，接收器所接收到的声频率以会发生改变， 相对于声源频率z 的变化就是多普勒频移厂，其大小是正比于发射器与接收器之间 对速度。发射角为p ，则多普勒频移 a f ；五一石：2 v c o s o 石2 一( 1 4 ) 可通过测量得到流速 胪茄万 2 一( 1 5 ) 2 石c o s 口7 7 这种方法测量的超声波流量计不但具有一般超声波流量计的优点，如可安装在管外， 动压损等，而且在测量时响应灵敏、分辨率高，不易受流体的状态参数等的影响，但 它的测量精度会受固体颗粒大小、浓度的影响，所以主要应用于精度要求不高、含有固体 颗粒及杂质比较多的不均匀流体流量测量，利用多普勒频移来获得流量1 2 7 1 ，在比较洁净 的流体中就难以发挥作用【2 5 1 。 2 2 3 相关法 相关法是建立在信息论和随机理论的基础上，相关法流量计是流动标记法的一种，它 的原理是：大多数流体在管道内以相关方式运动的湍流模式存在的，流动介质中可以观测 到的某种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间址，来求取流速及流量。如果在固 定点上安装两对探头，接收探头b 接收到的信号y ( f ) 在时域上是接收探头a 接收到信号 x ( t ) 的一个简单延迟，其延时就是示踪标记的渡越时间，设两探头间的距离为，得到 v ：昙 2 。( 1 6 ) v = 一 z - 1 1 0j f 。 & 的求取是通过互相关法得到的。两组信号的互相关函数可以表示为 r ( f 1 ) = 婺mi x ( t 一) 】，( ，) 西 2 ( 1 7 ) l-100 当延时f 时，码( ) 的值很小；罗= a t 时，两组信号重合，( ) 达到最大。 相关法具有较高的抗干扰性，测量的准确度高，多用于两相流的流速测量中，可以采 浙江理工大学硕士学位论文 用多个控制截面来提升系统的测量精度。但是它的缺点是需要多个超声波传感器，从而增 加了成本1 1 , 2 8 , 2 9 1 ，线路也变得复杂。 2 3 总体方案的确定 从前面分析的几种超声波流量计的原理及各方面的要求出发，同时考虑到本超声波测 试系统测量的是不含杂质的液体，本文采用改进时差法进行测量，利用公式2 - 0 3 ) 来求得 流速，再利用公式2 ( 1 ) 从而算出流量。所以测出流速是本文的重点，而测流速关键又在 于顺流传播时间和逆流传播时间的测量。测量流速公式中不含声速c ，提高系统测量精度。 为了降低成本，采用两个探头，测量原理如图2 3 所示，两个探头夹装在管道的外面，顺 流传播时，探头a 发射超声波，探头b 接收载有流速信息的超声波信号；逆流传播时， b 发射，a 接收，两个探头交替地发射和接收超声波信号，并且采用z 法安装，两个探头 收发复用，利用控制电路对其收发进行切换。 图2 3 时差法测量原理图 考虑到系统的响应速度和数据处理能力，采用d s p 为数据的处理核心，来提高瞬时 流量测量的精度。 系统整体方案如图2 4 ，大致可分为： 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 图2 4 系统整体框图 第一，超声波信号的发射与接收过程，放大、滤波、切换电路、温度测量电路的设计： 第二，d s p 核心处理部分，顺流传播时间与逆流传播时间的测量，流量的计算等； 第三，流量输出，4 8 5 通讯部分。 2 4 超声波换能器的选择 超声波换能器是超声波流量计不可缺少的组成部分，是将电信号转换为机械振动或将 机械振动转换为电信号的装置。声波的发射和接收都需要通过换能器来完成。按作用原理 可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。这里选用最常用的由压电陶瓷构成的压电式超声 波换能器，转换效率较高，机械强度好，结构简单、原材料价格便宜以及不易老化【3 0 】， 利用压电晶片的逆压电效应来产生超声波，利用正压电效应来接收超声波。 根据结构的不同，超声波换能器可分为直探头、斜探头等，在本课题中选用两个斜探 头，它主要由压电晶片、阻尼块、斜楔等组成。换能器工作频率的选择尤为关键，直接影 响到换能器的频率特性，发射效率等。本文采用中心频率为1 m h z 的超声波换能器，要 想其工作在最佳状态，驱动信号的频率要等于探头的频率，此时输出能量最大，灵敏度最 高。使用前对探头进行了筛选配对工作，对偏差在0 1 m 的激励信号也具备足够的信号 强度。 浙江理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 超声波应用到流量计量当中是当今人们越来越关注的问题。本章首先介绍了流量的一 些基本概念，流量计算的基本公式。在分析了各种超声波流量测量基本原理的基础上，针 对各种测量方法的特点和课题的基本要求，提出了以改进时差法来测量流量，避免温度的 影响，并确立了系统的基本方案。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 第三章时差法超声波流量测试系统的硬件方案分析 3 1 系统的硬件方案 图3 1 系统硬件框图 由上一章可知，时差法超声波流量计关键就在于测出超声波在流体中的顺流方向和逆 流方向的传播时间。测时的硬件方案如图3 1 ，具体实现分为四部分：第一部分是前端超 声波的发射部分，包括f s k 调制信号的产生、输出信号的放大，以及超声波探头收发切 换控制；第二部分是对超声波接收探头的输出信号进行放大滤波、对f s k 信号进行频率 解调，第三部分是t d c 模块对超声波的传播时间进行测量等；第四部分是以d s p 系统为 核心的处理电路、与上位机通讯电路和系统温度测量等。 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 系统的测时分析 想要准确的测出超声波信号在流体中的传播时间，就要准确的捕捉到超声波接收信号 到达的时刻。目前大多数的流量测试系统采用基于阈值的过零检测法来确定超声波波形的 到达时刻。当采用连续脉冲信号发射时，如图3 2 ，超声波探头接收波形如图3 3 。此方法 是根据超声波换能器的固有频率不变，接收信号为其固有频率，所以过零点位置不变。为 了防止干扰，设置一阈值，当接收信号到达阈值电压后的第一个过零点即为信号到达的时 刻，如图3 4 。 图3 2 发射波形 闭值电压 图3 3 接收信号 i v l 这零点 图3 4 过零检测 采用此方法，在短距测量时一般不会遇到问题，但是如果传递距离较大，或流速较大 的场合，接收信号的强度会有一定的变化，到达阈值电压的信号可能会出现超前或滞后的 1 6 束信号(