（机械工程专业论文）基于labview的超声波流量测量虚拟仪器系统.pdf

摘要 摘要 超声波流量测量技术是二十世纪七十年代发展起来的一种新型流量技术，它利用超 声波在流体中传播时所负载的流速信息来测量流体流量，具有非接触，无压损、高精度、 宽量程比，安装维护方便等特点，特别适用于高压力、大流量计量、双向流计量及危险 性流体的流量测量。根据测量原理和方法的不同，常用超声波流量计主要可分为时差式 超声波流量计，多普勒超声波流量计和相关超声波流量计三类。在这三种流量计中，时 差式超声波流量计应用最为广泛，而相关超声波流量计尚处于实验阶段，并无成熟工业 产品面世，但相关超声波流量计在流量测量时受流体介质参数和流体种类的影响最小， 是一种具有较大发展潜力的先进流量计。本论文就是针对上述两种流量计展开讨论，试 图建立一套基于l a b v i e w 的流量测量虚拟仪器系统。 1 分析和讨论了时差式超声波流量计的测量原理和数学模型，并结合实际例子讨论 了这类流量计的硬件电路结构和工作原理，最后完成了时差式超声波流量测量虚拟仪器 系统的结构设计，并列出了系统的软件流程图。 2 分析和讨论了互相关超声波流量计的测量原理和数学模型，据此完成了相关法超 声波流量测量虚拟仪器系统的结构设计和基于l a b v i e w 的软件设计，并对该系统完成 了软件模块测试和系统信号仿真实验。 关键词超声波流量计；虚拟仪器；时差；互相关；载波信号；仿真试验 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , w h i c hd e v e l o p e dr a p i d l yi n1 9 7 0 s ，i sa n e w - s t y l ef l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y i tu s e st h el i q u i dv e l o c i t yi n f o r m a t i o nc a r r i e db yt h e u l t r a s o n i cw h e ni ti sp r o p a g a t i n gi nt h el i q u i dt om e a s u r et h ef l o wo fl i q u i d t h em a i nm e r i t so f t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sn o n c o n t a c t , n op r e s s u r el o s s ，h i g l la c c u r a c y , 丽d ct u r n d o w nr a t i o ， c o n v e n i e n c eo fi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，e s p e c i a l l ya c c e p t a b l ef o rm e a s u r e m e n to fh i g h p r e s s u r ef l o w , l a r g ef l o w , b i - d i r e c t i o nf l o wa n df l o wi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e sa n dm e t h o d si tb a s e so n ，u l t r a s o n i cf l o w m e t e r sa r em a i n l y d i v i d e di n t of o l l o w i n gt h r e ek i n d s ：t i m e d i f f e r e n c eu l t r a s o n i cf l o w m e t c r , d o p p l e ru l t r a s o n i c f l o w m e t e ra n dc r o s s - c o r r e l a t i o nu l t r a s o n i cf l o w m e t e r a m o n go ft h e m ，t i m e d i f f e r e n c e u l t r a s o n i cf l o w m e t e ri st h em o s tw i d e l yu s e do n e ，c r o s s c o r r e l a t i o nu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri s j u s ti nt r i a lr u na n dh a sn o tm a t u r ei n d u s t r i a lp r o d u c ty e t ，b u tc o n s i d e r i n gt h el o w e s te f f e c t s f r o mp a r a m e t e ro fl i q u i dm e d i u ma n dt h ek i n d so fl i q u i dw h e ni tw o r k s ，t h ec r o s s c o r r e l a t i o n u l t r a s o n i cf l o w m e t e ri so n ek i n do ft h ea d v a n c et h a tw i l lb ew e l ld e v e l o p e di nt h ef u t u r e a b o v et w ok i n d so ff l o w m e t e ra r em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dt h ea u t h o ri st r y i n gt o s e t u paf l o wm e a s u r e m e n tv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nl a b v i e w ： 1 t h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c s m o d e lo ft m a e d i f f e r e n c eu l t r a s o n i c f l o w m e t e rw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，t h e nt h ev i r t u a le x a m p l ew a sg i v e nt os h o wt h e h a r d w a r ec i r c u i tc o n s t r u c t i o na n di t sw o r kp r i n c i p l ei nd e t a i l ，l a s t ，t h ec o n f i g u r ed e s i g no f t n n e - d i f f e r e n c eu l t r a s o n i cv i r t u a li n s t r u m e n tf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mw a sg i v e na n dt h e f l o wc h a r to fs o f t w a r eo ft h es y s t e mw a sa l s ol i s t e d 2 t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec r o s s - c o r r e l a t i o nu l t r a s o n i c f l o w m e t e rw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，t h e nac r o s s c o r r e l a t i o nf l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs y s t e mc o n f i g u r ea n ds o f t w a r eb a s e do nl a b v i e ww a sp r e s e n t e d a c c o r d i n g l yi nt h ep a p e r a tl a s t ，t h es o f t w a r em o d u l eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mw a s t e s t e da n dt h es i g n a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fs y s t e mw a sd o n e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l o w m e t e r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，t i m e d i f f e r e n c e ，c r o s s c o r r e l a t i o n ， c a r r i e rs i g n a l ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 )厂 作者签名：一多叮、j 广 日期：v 年、 2 - 月i 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在4 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 1 作者签名：韧l 涉一日期：v 刀眸? 乙月c 。日 导师签名：芝籀乃 日期：伽甜年i 砂月i , 0e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1流量测量的方法及应用 流过一定截面的流体体积或质量与时间之比称为通过该截面的流量，其中 体积与时间之比，称为体积流量，质量与时间之比，称为质量流量，用来测量 流体流量的装置称为流量计。 流量与温度，压力的测量共同构成工业测量领域的三大参数测量，并且与 国民经济息息相关。 在我们的周围有空气、水、煤气等各种流体，这些流体与人们的日常生 活，人类的生存活动等有着非常密切的关系。人体内的血液和体液在循环，我 们周围的空气在流动，日常生活需要自来水和煤气的供给，用过的水通过下水 道排出等等，均会牵涉到流量测量。在工业生产中，人们对流量测量的精度要 求更高，测量的流体也更多样式了，按被测介质的物理状态分类，有气体、液 体、混合流体等，按测量条件的范围来分类，有从高温到常温、低温的温度范 围，从高压到中压和低压的压力范围，按流动状态来分类，有层流、紊流、脉 动流、混相流等。总之因为流量测量的极其复杂，多样性，促成了针对不同测 量条件和要求的流量测量技术的研究和发展。 根据测量方法和结构的不同，常用流量计可分为以下几种： ( 1 ) 差压式流量计，差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的 差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来推算流量的仪表。如孔板流 量计，文丘里管流量计等，是目前所有流量计中应用范围最广的一种； ( 2 ) 浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在小微流 量测量方面有举足轻重的地位； ( 3 ) 容积式流量计又称定排量流量计，是利用机械测量元件把流体连续不 断地分割成单个已知的体积部分，根据测量时逐次重复地充满和排放该体积部分 流体的次数来测量流体流量，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞流量计等； ( 4 ) 涡轮流量计，它采用多叶片的转子( 涡轮) 感受流体平均流速从而推导 出流量，转子的旋转可由电机械、磁感应、光学或电子方式检出并由读数装置进 行显示或记录； ( 5 ) 电磁流量计是根据法拉第磁感应定律制成的一种测量导电性流体流量 的仪表，是非接触式流量测量的一种； 1 华南理工大学工程硕二 ：学位论文 ( 6 ) 涡街流量计是根据卡门涡街原理，在流体中安放一根非流线型旋涡发 生体( 阻流体) ，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的旋 涡，根据旋涡出现频率计算流体流量； ( 7 ) 超声流量计是利用超声波经过流体时被流体所调制，因而附加上流体 的信息，通过接收超声波并分离出流体的信息从而计算出该流体流量，根据测量 原理的不同，超声波流量计大致可分为时间传播法、多普勒法、波束偏移法、相 关法、噪声法等，和电磁流量计一样，超声流量计也属于非接触无压损检测，同 时超声流量计对流体并无导电性要求，应用前景广泛，是未来流量计的发展方 向。 1 2超声波流量计的优点 频率在1 6 2 x 1 0 4 h z 之间的机械波称为声波。频率高于2 x 1 0 4 h z 的机械波称 为超声。波测量领域中常用超声波频率在0 2 5 x 1 0 6 。2 0 x 1 0 6 h z 。超声波在工程测 量领域有着广泛的应用，如作为军事和民用的雷达、舰船上装备的声纳、机械工 业生产中广泛应用的超声波测厚仪、交通管理中常用的雷达测速仪等。虽然超声 波在工业领域的应用已经有很长的历史，但应用于流量流速测量，则是上个世 纪五十年代之后，得益于近3 0 年来数字电子技术和计算机技术的高速发展，超 声波流量测量技术才因其独有的优势，得到了广泛的重视和关注，具体来说，同 其它流量测量方法相比，超声波流量测量具有如下优点： 1 ) 、可对任何导电或不导电的介质实现非接触无压损测量； 2 ) 、特别适合大口径测量，仪表价格随口径的变化不大，所以对大口径而 言，超声波流量计相对物美价廉； 3 ) 、通用性好，在仪表的可测口径范围内，同一台仪表可测各种口径管道 的流量； 4 ) 、流量计的组成简单，主要由换能器和电子系统两部份组成，不需要复 杂的机械结构； 5 ) 、测量不受压力、密度等物理参量的影响，输出特性范围宽心1 ； 6 ) 、采用多声道测量，可以在较短的直管段条件下获得较高的测量精度， 并在不改变安装方向的情况下可同时测正反向流动的流体； 7 ) 、无运动部件，故无机械磨损，使用寿命长； 8 ) 、安装维修方便，可不停流安装及维护调试、使用便携式超声流量计甚 至可以遍地巡回检测； 9 ) 、易于实现微机化管理和远程测控。 2 第一章绪论 1 3超声波流量测量的方法 根据测量原理的不同，目前比较常见的超声波流量测量方法有时差法，多普 勒法及相关法等。 1 3 1 时差法 在流体的上游和下游分别置入超声波发射和接收装置，因为流体流速的影 响，超声波从上游传到下游的传播时间与从下游传到上游的传播时间并不相同， 测出这个时差即可推算出流体的流速，这就是时差法的测量原理引。 l 一 二s 】由一由刚( ) r 已口口s 己。i 图卜1时差法原理图 如图卜1 所示，在流体的上游置入超声波发射器s 1 和接收器的r 2 ，在相 距l 的下游放置超声波接收器r 1 和发射器的s 2 ，从上下游发射器s 1 和s 2 发 射的超声波分别被接收器r 1 及r 2 接收，设流体流速为v ，声速为c ，则顺流传 播时间为 ，：j l( 1 1 )，= 【一1 ) 逆流传播时间为 t 2 ；土 ( 1 2 ) = ( 1 2 ) 一般来说，工业上的流体流速v 口f ，故逆顺流传播时间差出为 a t = t 2 一t l 警( 1 - 3 ) 由式( 卜3 ) 有 ，：攀( 1 - 4 4 ) ，= 一 j 2 只要测得时间差缸，即可得知流速1 ，。 3 华南理工大学t 程硕七学位论文 但由于出的数量级很少( 约1 0 一。1 0 9 ) ，测量a t 较为困难，故亦可采用测 量两个连续波信号的相位差的办法。 假设顺流方向时，鲲一嘶，逆流方向时，仍一啦，缈为连续波的角频率， 则逆顺流的相位差为： 伊一伊2 一竹一彩0 2 一) = 丁2 c 越, v ( i - 5 ) 在时差法和相位差法的测量过程中均包含有声速c ，而c 与流体成分、温度 等有关，给时差法的测量带来了较大的误差，为此，人们进行了大量的研究并找 到了如下的解决办法。 假设把传播时间变为频率的信号，令石：三，五：_ 1 ，则j 顿逆流频差为 2 ，一五一，2 = 半一半= 詈( i - 6 ) 测得频差可即可求得流速7 ，这种方法称为频差法1 。 频差法如果将换能器安装在管内，原理上可清除声速c 的影响。如果换能器 安装在管外则仍受声速影响，但比时差法小，频差法中易用数字电路技术及集成 组件设计测量装置，故早期生产的大口径超声流量计都应用频差法。缺点是响应 速度慢，顺、逆流回鸣频率要轮流测量，所以测量周期长。 1 3 2 多普勒法 当超声波入射到运动着的微粒时，反射回来的超声波会发生频率和相位的偏 移，该频率的变化正比于声源与微粒的相对速度，这就是多普勒效应。利用该原 理人们制成了多普勒流量计，其原理如图( 卜2 ) 。 超声波换能器安装在管外，从发射器s l 发射的超声波束遇到流体中运动着 的颗粒或气泡，再反射回来由接收器r 1 接收。发射信号与接收信号的多普勒频 率偏移与流速成正比。忽略管壁的影响，并假设流体没有速度梯度以及粒子是均 匀分布的，可得公式1 ： v ：! 厶二厶望( 1 7 ) 2 ，1c o s 矽 式中，为流体流速， 小五分别为超声波发射器s l 发射的超声波频率和接收器r 1 接收到的超 声波频率 日为发射超声波束与流体流向之间的夹角 c 为声速 4 第一章绪论 图卜2多普勒法原理图 多普勒流量计只用于测量含有微粒或气泡的流体，早期主要应用于血管中血 液流速测量的研究，近年来在工业上也有较多的应用。 1 3 3 互相关法 互相法流量测量的原理如图1 - 3 。 在管道轴线方向相距为的地方， 安装两个性能完全相同的传感器。按照流 体的流动方向分别把这两组传感器称为上 游传感器s 1 和下游传感器s 2 。当流量计 工作时，s 1 和s 2 将会给被测流体发射一 定幅度的超声波，超声波经过流体后被流 体中的流动噪声信号所调制，然后被超声 波接收器接收，通过适当的信号解调，就 可以分别从上、下游传感器提取出与被测 流体流动状况有关的流动噪声信号工d ) 和 y 。 当被测流体在管道内很平稳流动 时，随机流动噪声信号x ( f ) 和y ( f ) 可以分 别看作是来自各态历经的平稳随机过程 ；1i一一ix 2 i l l 卢 ，、 “ 埘1 厂 州 五柑盏薯 图卜3 互相关法原理图 t ( f ) 和 只( f ) 的一个样本函数。如果将图( 卜3 ) 中s1 、s 2 测量管道及被测流体 所组成的系统视为一个信号系统，且将上游传感器s 1 产生的随机信号础) 作为 系统的输入；下游传感器s 2 产生的随机信号y p ) 作为系统的输出，那么确定流 体从上游流动到下游所需时间的问题就归结为一个随机信号通过给定系统所需时 间的问题。 将该系统的输出信号y ( o 和系统的输入信号x ( f ) 作互相关运算，得到互相关 函数尺。，( f ) 的表达式为 5 华南理下大学工程硕十学位论文 ( r ) = 寺x ( t ) y ( t ) d t ( 1 8 ) 式中丁为测量时间，f 为时延值。 计算互相关函数就是在不同时延值下比较这两个信号的波形相似程度，得 到互相关函数氐p ) 的图形，该图形的峰值位置所对应的时间位移百就是随机信 号缸f ) 在该系统中的传递时间。因此，信号x ( f ) 在该系统中的传播速度也就是流 体的流速，可按公式计算。 三 v = 一 f 0 ( 1 - 9 ) 1 4虚拟仪器概述 测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器，分立元件仪 器，数字化仪器和智能仪器 1 。 伴随着电子技术，计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与 仪器领域中不断应用，新的测试理论、测试方法、新的测试领域和新的仪器结构 不断涌现，在这种背景下出现了一种全新的仪器概念一虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t 简称v i ) ，虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产 物，是计算机硬件资源，仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有 效结合，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术，它完全突破了以往 的仪器概念，转变为用户根据自己的需要来定义和扩展测量功能，而这种定义和 扩展只需通过修改或创建新的软件即可实现，这是因为虚拟仪器的实质就是利用 计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出结 果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算分析和处理，利用i o 接 口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能。虚拟仪器由通用仪 器硬件平台和应用软件两大部分构成，其硬件系统包括传感器，i o 接口设备和 计算机三部份，结构如图( 1 4 ) 所示。 传感器和i o 接口设备主要完成被测信号的采集、调理、放大及模数转 换，然后由计算机软件来完成信号数据的运算，分析和处理。根据不同的总线 结构及数据通信方式，虚拟仪器系统可分为五类 1 ： 6 第一章绪论 hp u - 1 3 嘛o 卜 叫锻参卜 l 蝴l 一l ll l - i v i i i 曩il 霄硼l 一绺i 簟虢卜一 叫a 致器| - 一 图卜4虚拟仪器结构图 p c - d a q 系统是以传感器，数据采集板，信号调理电路及计算机为仪器硬 件平台组成的插卡式虚拟仪器系统，这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总 线，是构成v i 的最基本方式，也是最廉价的方式。 g p i b 系统是以g p i b 标准总线仪器与计算为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 v x i 系统 拟仪器系统。 p x i 系统 拟仪器系统。 串口系统 虚拟仪器系统。 是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的 虚拟仪器软件由应用程序和i 0 接口仪器驱动程序两部分组成，应用程序 包含两部分： ( 1 )实现虚拟面板功能的软件程序； ( 2 )定义测试功能的流程图软件程序。 i 0 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展驱动与通信。 目前常用的虚拟仪器软件开发工具有文本式编程语言如v i s u a lc + + v i s u a l b a s i c ，l a b w i n d o w s l c v i 等，及图形化编程语言如l a b v i e w ，h p v e e 等。 l a b vie w ( l a b o f a t o r yv i s u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室 虚拟仪器工程平台) 是由n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ) 推出的一种基 于g 语言( g r a p h i cl a n g u a g e ) 的虚拟仪器软件开发工具，它具有如下优点： 7 华南理工大学工程硕七学位论文 具有图形化的编程方式，设计者无需具有计算机软件编程的专门知 识，是真正的工程师的语言； 能提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数； 能提供传统的程序调试手段，如设置断点，单步运行，同时提供独具 特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的 细节，使系统的调试和开发更为便捷； 3 2 位的编译器编译生成3 2 位的编译程序，保证用户数据采集，测试 和测量方案的高速执行； 囊括了p c i 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 、u s b 等各种仪器通信 总线标准的所有功能函数，使不懂得总线标准的开发者也能够驱动不 同总线标准接口设备与仪器； 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，例如d l l ( 动态链接 库) 、d d e ( 共享库) a c tiv ex 等； 具有强大的i n t e r n e t 功能，支持常用的网络协议方便网络远程测控 仪器的开发。 1 5超声波流量测量技术的发展现状及本课题的提出 超声测量技术用于不同的领域几乎有2 0 0 年了，正式用于流量测量也有超 过4 0 年的历史。从上述超声波流量测量的原理我们知道，超声波流量测量技术 特别适于测量不易接触和观察的流体，不需要在流体中间安装测量组件，故不会 改变流体的流动状态，不产生附加力，同时不受液体介质的的温度、压力、粘度 等性质的影响，这是机械式流量计无法做到的。另外它又不像电磁式流量计那样 对流体有导电性要求，因而有广泛的应用前景。尽管在流量测量时有着无比的优 越性，但超声波流量测量对信号的采集、处理及运算要求较高，只有在现代数字 电子技术、计算机技术和信息技术高度发展的近3 0 年间才被充分的重视和开 发，并有许多成熟的工业化产品问世。 目前世界上比较知名的超声波流量计生产厂家有美国的c o n t r o n l o t r o n i n s t r o m e t ，d a n f o s s ，e + h ，g ep a n a m e t i c s 等，国内生产厂家有大连海峰， 唐山汇中，大连索尼卡等。 以c o n t r o l o t r o n ( 美国) 的典型产品101o n x 系列夹装式超声波流量计 为例，其技术规格为：流量测量范围为0 。1 2 m s 。标定精度0 2 2 0 ( 具体 型号不同) 。灵敏度为0 0 0 0 3 m s 。重复测量误差小于0 2 5 ，可测管道直径从 矽1 2 u n 一矽9 1 0 0 m m ，流量显示时间延时1 6 0 秒( 根据管径不同) ，数据输出为 标准r s 一2 3 2 接口，以及4 - 2 0 m a 、0 。i o v 、0 。5 0 0 0 h z 脉冲和继电器的模拟量 8 第一章绪论 输出。除测量功能外，还可实现流量的批量累加控制及流量控制功能。此类流量 计的特点是安装维修方便( 外夹式) ，可实现不停流安装及维修检测1 。 i n s t r o m e t ( 美国) 公司的q - s o n i c - 4 c 则是插入式高精度多声道超声 波流量计的典型，其管径从1 3 1 0 0 m m i z l 5 0 0 m m 。测量精度s 0 3 ，可实现数字 信号和模拟信号的标准输出及实现群组控制和远程通讯控制、表体为4 声道固 定式，要求流量计上游和下游各有l o d 管径和5 d 管径的直管段。此类流量计对 流量测量环境和流体要求较高，对流量计的安装有特定要求，测量精度高，价格 旦虫【9 】 f 口贝 。 国内的生产厂家以大连海峰仪器仪表公司的t d s - 1 0 0 为典型，其采用超声 波时差原理，双c p u 并行工作，十字节浮点运算，测量周期5 0 0 m s ，可测流速 范围0 。3 2 m s 。精度( 经标定) 可达1 0 ，重复性误差0 2 。2 xl0 的背光型 汉字液晶显示，配备r s 一2 3 2 接口，可实现模拟量输出及支持远程通讯协议。目 前国内产品和进口产品相比在精度和稳定性上有一定差距，故市场占有率不高 1 0 】 o 上述产品的共同特点是都采用超大规模集成电路和内置微处理器来实现超声 波信号的发射接收控制及信号的采集处理，所以硬件电路复杂，不同公司产 品支持不同的工业总线控制，通用性差，设备的安装调试和维修复杂，需要专业 人员定期维修保养。 目前进入工业测量领域的成熟超声波流量计大部分都是采用时差法来实现流 量计量，多普勒法产品也有一定的应用，但相对应用范围较窄，相关法流量测量 的理论研究虽已有相当长的历史，但由于其信号理论模型相对复杂，目前此类流 量测量系统还处于实验室阶段，并未见大规模应用于工业测量领域的报道。相关 法流量测量不但具有其它超声波流量测量方法的优点，而且它测量的是流体中流 体流动的自然噪声的渡越时间，与流体的参数变化甚至流体的种类基本无关，故 受到广泛的关注和重视，是目前流量测量领域的热门研究课题。 在测量仪器高度智能化发展的今天，虚拟仪器测量系统以其独有的“软件就 是仪器 的优势和特点吸引了测量技术研究者的目光，本文就是试图在总结现有 超声波流量测量技术发展成果的基础上，开发出一套基于l a b v i e w 的超声波流 量测量系统。这也是本课题的创新之处。 时差法超声波流量计是目i ； 超声波流量计的主流产品，相关法超声波流量计 是未来超声波流量计的发展方向。本课题就这两种超声波流量计展开谈论，以试 图构建相应的虚拟仪器系统。主要在下面这些方面开展工作： 时差式流量计的测量原理及数学模型； 市场上现有的时差式超声波流量计的硬件结构及工作原理； 虚拟时差超声流量测量系统的硬件结构及软件实现； 9 华南理丁大学工稃硕士学位论文 相关流量测量的测量原理及数学模型； 相关超声流量计虚拟仪器系统的结构组成及软件实现； 系统的信号仿真及误差分析。 1 0 第二章时差式超声波流嚣计的数学模型与硬件结构 第二章时差式超声波流量计的数学模型与硬件结构 2 1时差式超声波流量计的测量原理及数学建模 实际应用中的超声波时差流量计原理图如图( 2 1 ) 。 天 s 1 i 厂、，、 bn ! 图2 1时差流量计原理图 传感器s 1 和s 2 外夹于流体管道，超声波信号顺流方向和逆流方向的传 播时分别为 1 2 1 ： ：黑一i - f (21)v 1 = 一一百 z 一_ - 1 c + s i n p 、7 乞：黑+ f (22)v 1 1 一一下 - 厶二i c s i n p 、7 式中： d 一管道内径 秒一声速进入流体介质的折射角 c 一流体中的声速 y 二流体的流速 f 一流体以外声传播时间及电路延迟时间之和。 根据( 2 - 1 ) 及( 2 - 2 ) 有： t 2 - = 2 v s i n 万o 万( d 广c o s o ) ( 2 - 3 )2 f 百r 一 由于c v ，上式可写成： 1 1 华南理丁火学工程硕十学位论文 乞一：2 v s i n 0 - ( r d c o s0 ) 式中的声速c 与介质的种类，流体的温度等物理参数有关， 响，作变量代换消去c 2 项【13 1 ，令： f o ：昙( f 1 + t 2 ) ：d c o s o + f ( 2 4 ) 为了消除它的影 ( 2 - 5 ) 则有( f o f ) ：d 2 c 广o s 2 0 ，代入式( 2 4 ) ，则流体流速为 y = 面d 雨t 2 - - t ! f ( 2 - 6 )s i i l 羽“一丁) 2 流量可由下式确定： q ：丢孚y ( 2 7 。 k4 、7 由式( 2 - 6 ) 可知，在时差法超声波流量计中，测时精度是决定系统测量精 度的关键。传统的填脉冲计数测量时间方法精度不高，即使使用频率高达 l o o m 娩的脉冲计数，也仅能达到1 0n s 的测时分辨率，无法满足小口径小流 量测量的需要。以# 2 5 r a mi ：1 径管道为例，为扩大声程采用v 字形安装【1 4 1 ， 信号的传播时间为3 6 , u s ，加上延迟时间约为5 0 膨左右，在介质流速为l m s 时，时差仅为2 0 n s 左右，要达到1 的分辨率( 即0 2 0 n s ) ，用传统的填脉 冲计数是不可能实现的，现在常用的是采用p l l ( 锁相环) 测时技术，能在不太 高的计数频率下获得超过0 2 n s 的时间分辨率。 2 2关于流速分布修正系数 测量流体通过某截面的流量时，需要测量管截面的平均流速，而从穿过流 体的超声波号中检测出的流体流速是沿超声波传播路径的线平均流速，故在流 量计算时引入流量修正系数k 。 一般意义上，人们把管内流体的流动划分为层流和紊流两种状态( ，指单相 流) ，所谓层流状态是指管内流体只有轴向的运动，而无垂直于轴线方向的横 向运动。所谓紊流状态是指流体质点既有轴向的运动，又有横向的运动。流体 处于不同的流动状态，就有不同的流动特性，其流速的分布也大不相同。流体 的流动状态不仅与流速有关，而且与流体的粘度和管径有关。 雷诺数r 是判定流体流动状态的一个依据。雷诺数r 是这样定义的： 冠：v d( 2 8 ) 乞 式中y 一管内流体的平均流速 1 2 第二章时差式超声波流量计的数学模型与硬件结构 d 一管道内径 一管内流体的运动粘度 冠的大小决定了流体的流动状态，一般认为r = 2 3 0 0 可作为流体从 层流状态到紊流状态的临界判据。当r 2 3 0 0 时流体就开始向紊流状态过渡。 在层流状态下，管内流体在半径方向上的流速分布规律可用下式表 示： 形= 1 - ( 别 ( 2 - 9 ) 式中v 一离管道中心距离为r 处的流体流速 一管道中心处的最大流速 r 一管道半径 厂一与管道中心的径向距离 可见在层流状态下，流速分布是以管轴为中心的轴对称抛物线分布， 在管道中心轴线上的流速最大为。 根据式( 2 - 6 ) 所测出的流速是一个沿超声波传播路径方向的平均流速， 也即直径方向上的平均流速v ，由式( 2 9 ) n - - j 矢：1 1 ，在层流状态时v 与有 如下关系： y ：丝! 二 2 r = ! 坚阻：! 幽空 r = y m 。 ( 2 1 0 ) 一 矗x、一一一， 而我们所需要的是管道横截面上的平均流速。 同样根据式( 2 - 9 ) ，可知在层流状态下与有如下关系： = 譬= 学 j ：v , 2 r c r d r 一。1 一 兀r 。 ：! 墨：生坚 2 7 z 尺2 ：丢 ( 2 1 1 ) 式中a 为管道的截面积。 1 3 华南理丁大学工程硕十学位论文 由式( 2 - 1 0 ) 矛1 1 式( 2 1 1 ) 有： 。季y ( 2 - 1 2 ) 因此，在层流状态下，其流速修正系数 趾毒( 2 - 1 3 ) 3 并且在层流状态下，k 值与r 的变化无关。 当管内流体是呈紊流状态时，管内流体在半径方向上的流速分布为： = k 螺( 1 一秽“ ( 2 - 1 4 ) 式中：1 1 是随雷诺数r 的不同而变化的经实验验证的经验系数，其数值根据查 表而得，下面是部分不同雷诺数r 下的对应1 1 值表。 r4 0 , 1 0 32 3 1 0 41 1 , 1 0 51 1 , 1 0 67 2 4 1 0 6 n2 02 6 7 08 81 0 0 从式( 2 1 4 ) 口- f f j 以看出，在紊流状态下管内流速同样以管中心轴线轴对称分 布，但其分布呈指数曲线形式。与层流状态相比，在平均流速相同时，紊流状 态下近管壁处流速要大，管道中心轴线上流速要小，而且紊流状态下管道内的 流速分布是随雷诺数变化而变化的。 由式( 2 1 4 ) n - j 知，在紊流状态下沿超声波传播路径方向的线平均流速v 与k 。，的关系 v= 2 v ，d ， 2r f ( 1 一 协d r r r ) d r j ：( 1 一 u “ 尺 = k 。 (2as)1甩+ “。1 。 同样，紊流状态下的管横截面平均流速与有如下关系： = 譬= 学 e r ：上兰三三竺 1 4 第二章时差式超声波流最计的数学模犁与硬件结构 = ( 2 n 名杀 ( 2 1 6 ) = 一i ， iz ii ，i + 1 ) ( n + 1 ) “、7 由式( 2 - 1 5 ) 并f l ( 2 - 1 6 ) 有 = 丽2 n y ，( 2 - 1 7 ) 故在紊流状态下流速修正系数为： k = 茜= 等小去( 2 - 1 8 ) 2 ，z2 珂 在紊流状态下，修正系数随雷诺数的变化而变化。 上述流量修正系数都是在满足管壁光滑和有足够长直管段的条件下所计算出的 理论修正系数，在实际应用中需要根据现场相应条件做出一定的调整。 在实际流量测量中，当流体呈紊流状态时，一般用如下的经验公式进行流 速修正： k = 1 + o 1 1 6 2 5 + 4 3 l r 舢7 ( 2 1 9 ) 当流体流动状态介于层流状态与紊流状态之间时： k ；1 1 1 9 - 0 0 1 1 1 9 尼( 2 - 2 0 ) 2 3超声波时差流量计的硬件组成及工作方式 以大连海峰生产的t d s 1 0 0 系列时差式超声波流量计为例i 1 0 1 ，该系列超 声波流量计采用低电压多脉冲平衡发射接收专利技术设计硬件发射电路，适用 于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮微粒或气泡的清洁均匀流体流量，其技 术指标如下： 项目性能、参数 测 精度1 0 ( 国产超卢波流量计唯一真正达到此精度者) i 重复 里 性 o 2 流速范 0 。3 2m s 主 围 机 测量原超声波传播时差原理，双c p u 并行工作，4 字节浮点运算 理 测 测量周5 0 0 m s ( 每秒2 次) 。 期 i 显 2 1 0 背光型汉字液晶显示器。 里 不 主 操固定式：4 4 轻触键盘。 作 机 输5 路4 2 0 m a 输入，精度0 1 ，可输入压力、液位、温度等 入信号。 华南理f 大学l ，群硕+ 学位论文 电流信号：4 2 0 m a 或0 2 0m ，阻抗0 1k 0 ，浮空，精度 01 。 输 频翠信号：l 一9 9 9 9 8z 之间任选( o c t 输出) 。 出 脉冲信号：止、负、净流量及热最累计脉冲继l u 器及o c t 输 出。 报聱信号：继电器及o c t 输出，可选近2 0 种源信号。 数据接口：r s2 3 2 串行接口，可选配r s 4 8 5 或c a n 总线方式。 记忆日、月、年累积流莆上、断电时间、瀛量和流量管理功 其他功 能。 可选自动或手动朴加累积量功能，记忆每天的_ 作状态。 能 可编程定赶( 批量) 控制器。 故障自诊断功能。 网络工作方式等。 我们从北京菲舍波特公司借来一台t d s 一1 0 0 f 1 固定式标准犁超声波时差 流量计，该型流量计的标准配置为崮定壁挂式主机台，标准m 型传感器一 对，另外包括传感器兴具，s e y u 7 5 2 专用屏蔽型电缆等，如图2 2 。 国22t d s 1 0 0 f 1 超声波流量汁实物圈 传感器为雎电陶瓷晶体( p t z ) 超声波换能器，其结构简图如2 - 3 。 第二章时差式超声波流量计的数学模型与硬件结构 导连料 图2 3 超声波换能器结构简图 该型超声波流量计的工作原理图如( 2 4 ) 所示。 l v 5 l s 。 图2 4t d s 1 0 0 流量计工作原理图 可以看出该系统硬件由三部份组成。 管路及传感器是系统的信号采集部份； 传播时间测量电路( 测控板) 主要完成传播时间的测量，包括c p u 定时和控制电路，发射电路，接收放大电路，信号检测和鉴别电 路，计数电路，锁相环电路，峰值检测电路等； 1 7 华南理t 大学工程硕士学位论文 主控板主要完成测量参数的设置，控制测控板的工作，与测控板 通讯，以及测量结果的计算、存储、打印、显示输出等。 测控板主要是用来测量传播时间的，也是超声波流量计的核心之所在 【15 1 ，它的结构原理图如图( 2 5 ) ： 图2 5 测控板结构原理图 测控板的具体工作过程如下：在主控板的控制下，时序控制电路每隔一定 时间产生一次发射脉冲，并且控制顺流方向和逆流方向相互切换，由v c o 的 振荡频率同步的发射信号打开传播时间计数器，采用计数脉冲同步发射信号的 目的是使每次的发射信号都开始于相同的相位( 对应于计数脉冲的上升沿) ；接 收信号到达时立即关闭传播时间计数器，并与v c o 的振荡频率进行相位比 较，比较结果控制积分器的积分电压发生变化，而积分电压又控制v c o 的振 荡频率发生改变，使得v c o 的振荡频率和接收信号之间的相位差逐渐减小， 当锁相回路工作稳定时，v c o 的振荡频率和接收信号之间的相位差为零，传 播时间计数器中的计数值恰好为整数个，这样就消除了由于传播时间计数器值 不是整数个而造成的相位误差，c p u 根据v c 0 1 和v c 0 2 的振荡频率正、厶 以及从发射到接收这段时间内对分频后的= 厶计数值，1 、来计算顺流方 向和逆流方向的传播时厶、如： 1 8 第二章时茅式超声波流量计的数学模犁与硬件结构 f m n 1 f - 2 _ 。 m n ， ，2 2 式中：m v c o 的分频率系数。 五一v c 0 1 的振荡频率。 厶- v c 0 2 的振荡频率。 1 、2 分别为传播的时间计数器在顺逆流测量时的计数