（电路与系统专业论文）频差法超声波流量计的设计与实现.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 流量测量技术是工业生产、科研过程以及日常生活中不可或缺的一门技术。 超声波流量计具有非接触式测量、安装简单方便、无需中断管道、没有压力损失、 运行稳定、测量范围宽和精度较高等优点，在天然气、石油、自来水等工业与生 活领域以及血流量测量等医疗领域得到广泛的应用。 本文首先对超声流量测量的历史发展、超声流量测量的特点及应用情况进行 了介绍，然后对超声流量测量所涉及的管道流场规律进行了分析总结，并进一步 对超声波流量计的基本测量方法做了介绍和总结。在此基础之上，提出了本文的 系统总体设计方案和对于性能指标的要求，设计了一个适用于大管径的频差式液 体超声流量测量系统。系统以a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 组成的最小系统为控制核心， 负责对系统的信号进行控制，数据的通信和流量值换算储存等工作，系统通过 $ 3 c 2 4 4 0 发出p w m 波，经过激励电路驱动超声波换能器发射声信号，在信号接收 端设计了带有电压自动增益控制的三级放大和多次滤波电路，从而将能量微弱的 有效信号放大以便后续电路处理，同时提高了系统的硬件抗干扰能力，保证了流 量计具备较高的稳定性和精度，采用高速比较器芯片和单稳态芯片组成信号检测 电路对信号检测，判定信号到达的时刻，并通过主控芯片控制再次发射信号形成 声环，最后通过设计的倍频电路将输入的声环信号频率增加，从而提高了系统的 测量精度。 在软件设计方面，本文对a r m 体系结构的移植做了详细介绍，为流量测量单 元搭建了基于l i n u x 的系统开发平台，由于a r m 9 具有较高的主频和处理速度，提 高了系统的响应速度，同时，系统还开发了采用菜单分级显示窗口的嵌入式人机 交互界面，使得系统的数据显示更为丰富，通过修改管道参数，方便了在对不同 管道测量时可以进行灵活设置。 经过试验验证，本文设计的频差式超声波流量测量系统的测量数据合理，具 有良好的测量重复性和线性度，实现了设计预期提出的研究目标。 关键词：超声波流量计频差$ 3 c 2 4 4 0嵌入式系统锁相环倍频器 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t f l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sa n i n d i s p e n s a b l et e c h n o l o g y i ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd a i l yl i f e d u et on o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，s i m p l e f i x i n gw i t h o u ti n t e r - k n i t t i n gp i p e ，n op r e s s u r el o s e s ，s t a b i l i t y , w i d ef l o w - r a t er a n g e ，h i g h a c c u r a c y , u l t r a s o n i cf l o wm e t e rs h o w si t se x c e l l e n ta d v a n t a g e s i th a sb e e nw i d e l yu s e d i nt r a n s m i s s i o no fn a t u r a lg a s ，o i l ，w a t e ra n do t h e ri n d u s t r i a la r e a so fl i f e ，a sw e l la s b l o o df l o wm e a s u r e m e mo ft h em e d i c a lf i e l d f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c s o ft h em e a s u r e m e n ta n di t sa p p l i c a t i o na r ei n t r o d u c e d t h e nt h el a wo ff l u i df l o wi nt h e p i p e l i n ew a sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d f u r t h e r , b a s i cm e a s u r e m e n tm e t h o d so ft h e u l t r a s o n i cf l o wm e t e ra r ei n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d o nt h i sb a s i s t h eo v e r a l ls y s t e m d e s i g na n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s a r er a i s e d ，a n daf r e q u e n c yd i f f e r e n c eo fl i q u i d u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rl a r g ed i a m e t e ri sd e s i g n e d t h ec o n t r o lu n i to f s y s t e mi sf o r m e db yam i n i m u ms y s t e mw i t hi t sc o r eo f $ 3 c 2 4 4 0 i ti sm a i n l yu s e df o r s i g n a lc o n t r o lo ft h ew h o l es y s t e m ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，a n dt h es t o r a g eo ff l o w s c a l c u l a t i o n ap w mw a v ei sf i r s to u t p u tb y $ 3 c 2 4 4 0 ，a n dt h e nt h ec i r c u i to ft r a n s m i t t e r i sd r i v e db yt h i ss q u a r ew a v e t h er e c e i v e rs i g n a li s a c q u i r e db yt h eu l t r a s o n i c t h e a c q u i r e ds i g n a li sa m p l i f i e da n df i l t e r e dt ob eu s e df o rt h en e x tc i r c u i tu n i t t h i sp r o c e s s i m p r o v e st h ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n da l s oi n c r e a s e si t sh i g h s t a b i l i t y a n da c c u r a c y t h e s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t i sf o r m e dw i t hah i 曲s p e e d c o m p a r m o ra n dam o n o s t a b l et r i g g e r t h i sc i r c u i tu n i td e t e r m i n e st h et i m eo fa r r i v a lo f t h es i g n a la n ds e n ds i g n a lt ot h em i n i m u ms y s t e mt oc o n t r o lt h eo u t p u to ft h et r a n s m i t t e r i nt h i sw a y , a nu l t r a s o n i cw a v ep r o p a g a t i o nc y c l ep r o c e s si s f o r m e d f i n a l l y , t h e u l 仃a s o n i cw a v ei ss e n dt ot h ec i r c u i tu n i tt o10 0t i m e sd o u b l ei t sf r e q u e n c yt oi m p r o v e t h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y i nt h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n ，t h et r a n s p l a n t i n gm e t h o d so ft h es y s t e ms t r u c t u r e a r ed e s c r i b e d t h es t r u c t u r ei su s e dt op r o v i d ea ne m b e d d e dl i n u xs y s t e md e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tf o rt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ef r e q u e n c y d i f f e r e n c eu l t r a s o n i cf l o wm e t e r w i t ha h i g hc l o c ka n dp r o c e s s i n gs p e e d ，t h er e s p o n s es p e e do ft h es y s t e mi si m p r o v e d i na d d i t i o n a ne m b e d d e dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ew i t hm e n uw i n d o w si sd e s i n g n e df o r t h i ss y s t e m ，w h i c hc a ns h o wm o r ei n f o r m a t i o na n dc h a n g ep a r a m e t e r so fd i f f e r e n tp i p e b ym a n u a li n p u tv a l u e s e x p e r i m e n t t e s t ss h o wt h a tt h ed a t ao ft h ef r e q u e n c y 。d i f f e r e n c e o fl i 舢d u l 仃a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mi sr e a s o n a b l e t h es y s t e mh a s ag o o dr e p e a t a b i l i t y a n dl i n e a r i t y , a n da c h i e v e se x p e c t e dt a r g e t s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c f l o w m e t e r s ；f r e q u e n c y d i f f e r e n c em e t h o d ；$ 3 c 2 4 4 0 ； e i n b e d d e ds y s t e m ；p h a s el o c k e dl o o p 丘e q u e n c ym u l t i p l i e r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题背景 温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数是工业控制工业过程控制中的主 要参数n 1 。随着工业化的发展，工业生产自动化程度更高，世界能源日益紧张，相 应地有关石油、天然气和饮用水及暖气等能源运输与监测问题更加突出，进一步 使流量计量的地位与作用更加重要。在保证生产过程安全顺利进行、降低能耗与 浪费、提高实际经济效益、实现科学管理等方面，确保流体流量的准确的测量和 及时的调节控制具有重要意义乜1 。具市场调查显示，在所有的过程检测仪表中，流 量仪表的产值约占1 5 1 4 ，这也证明了流量计所具有的良好市场价值。 流量测量是计量科学的重要组成部分，由于测量精确度的要求越来越高，而 且测量对象复杂多样，因此，流量测量是一门复杂、多样的技术。流体种类主要 有气体流体、液体流体和气液、固液混相流体等，流体的工作环境情况也多种多 样，适用性较广阔：如高温到极低温的不同温度环境，高压到低压的不同压力环 境，黏度高低差异明显的各种不同液体环境等h 3 ，而流量测量范围也差别很大，微 小流量有的只有每小时数毫升，而大流量可以达到每秒数万立方米。对于脉动流、 多相流，则使得流量测量更加复杂。同时，测量条件不同带来的复杂性对于仪表 适应性的要求也促进了人们对流量测量仪表更加深入研究。 1 2国内外超声流量测量技术研究的发展概述 1 2 1国外超声波流量计的研究 在国外，对于超声波流量计的研究较早，至今已有八十年的历史。 1 9 3 1 年，德国的o r u t t e n 发表了一篇关于如何利用声波测量管道流体流量专 利，这是最早的有关超声流量测量的参考文献。 2 0 世纪3 0 年代首先研制出相位差法超声波流量计( 传播速度差法的一种) ， 但是商品化没有获得成功和推广。 2 0 世纪5 0 年代开发出了基于频差式原理的m a r s o n 流量计，该流量计被用 在航空焰料的流量测量方面，是最早具有实用意义的采用频差法测量原理工作的 超声流量计，m a r s o n 流量计的研制成功标志着超声波流量计已从实验室中的 理论研究阶段进入了工业化应用和推广阶段 儿引。 6 0 年代，各国竞相研制开发超声流量计，这一时期出现大量专利申请。6 0 年 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 代末实验研究出了利用多普勒效应测量流量的超声波流量计呻1 。 7 0 年代，随着集成电路技术的飞速发展，在高性能锁相技术的出现和广泛应 用的背景下，使流量计的性能得以日趋完善，各种型号超声波流量计不断投入市 场，随着超声波流量计的推广，理论方面对超声测量的研究也逐渐增多，这一时 期的研究仍仅限于对液体流量的测量u 0 | 。 8 0 年代，随着数字电子技术成本不断降低，数字化的超声测量系统成为研究 重点，据此，各研究组织机构与人员在气体测量领域设计实现了真正的高精度流 量计量。1 9 8 4 年，美国丹尼尔公司受委托研制测量气体流量的超声流量计，主要 针对燃气的测量，经过十年的发展，该公司即具备了向北美及欧洲供应了近百台 多声道气体超声流量计的能力u 1 | 。 到2 0 世纪9 0 年代初期，不断涌现出各种新材料和新工艺，使智能化信号处 理技术取得进一步发展，技术进步促使超声流量计的应用范围更为广泛，测量精 度显著提高，超声波流量计取得迅猛发展。这一时期，在西方主要发达国家如美 国和西欧以及日本等地区，超声波流量计的销售已达到流量仪表的4 一9 。到了 9 0 年代中期，全球超声波流量计的销量达到每年约3 6 万台u 2 | 。 2 0 0 0 年，世界范围内的超声波流量计( 不包括明渠流量计) 销售额达2 4 亿美元， 2 0 0 5 年以后，超声波流量计销售额更以年均1 5 3 的速度快速增长n 3 | 。 国外已经在气体超声波流量计的研究取得较好效果，目前气体超声流量计研 究处于领先地位的有荷兰的i n s t r o m e t 公司，美国的c o n t r o l o t r o n 公司，d a n i e l 公司， 德国的k r o h n e 公司n4 | 。常见的关于气体的超声测量有空气、沼气和氮气等。由于 世界各国尤其西方工业国对于天然气工业的重视和发展，进一步加速了超声波流 量计在气体测量领域的研究、推广和应用。 1 2 2国内超声波流量计的研究 国内超声波流量计的研究起步较晚，并且至今在技术上同国外先进水平仍有 较大的差距，最早开始超声流量计的研制工作是在上世纪的6 0 一7 0 年代，主要研究 机构是机械工业部上海工业自动化仪表研究所和北京大学u 。 进入8 0 年代，中科院合肥分院与四川石油设计院曾联合研制气体超声波流量 计，并在1 9 8 6 年进行了样机实验；本溪无线电一厂也曾开发推出了c q j - i a 型气 体超声波流量计，但未成功地应用于工业现场u 引。 8 0 年代中期，由于自身研发能力和超声流量起步晚的限制，国内各仪表生产 厂家开始引进一些国外的先进专利技术，从而生产出了具当时国际先进水平的超 声仪表。我国超声流量计在9 0 年代初估计年产8 0 0 至1 0 0 0 台，但无论测量精度 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 还是测量方法国内生产的超声波流量计与n 多 i - 相比都有明显的差距u “。 1 9 9 4 年，我国正式出版了“j j g l 9 8 9 4 速度式流量计”的国家计量鉴定规程， 该规程中包括超声流量计部门的针对传播速度差法、多普勒法的超声流量计) ) j j g 0 0 0 2 9 4 计量鉴定规程。这一规程的颁布成为我国超声流量计发展的一个重要标志 1 8 1 9 国内早期超声波流量计的生产厂家有：北京大学无线电系，河南开封仪表厂， 湖南长沙电子仪器二厂，辽宁本溪市无线电厂，湖北水电部南京自动化所，河北 唐山大方电子技术开发有限公司、唐山汇中仪表有限公司和唐山美伦仪表有限公 司等。 到目前为止，国内对气体超声流量计技术有了较多的研究，中国测试技术研 究院工程所、中科院声学所和复旦大学等单位己经进行了几年的技术探索和研究 开发工作，并己取得一些进展，但是国内市场上的气体超声流量计对国外技术仍 有很大的依赖性，性能较好的气体流量计绝大多数为国外引进，因此对于超声流 量测量仍有一定的差距。 1 3 超声流量计的优势及应用 超声流量计基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测 量，是由发射换能器和接收换能器以及电信号处理电路组成的超声波流量测量系 统。流体流量的工作时，首先通过发射端的超声换能器将电能转换为声波振动的 机械能，即电信号可以激励换能器发射超声波信号，声信号发射后入射到被测流 体中，经过流体介质传递到接收端，接收换能器接收到电信号后转换为反映流量 变化的电信号瞳引，这样，通过测量电信号的变化来实现流量的检测，并最终实现 人机交互等功能。超声波流量计的换能器安装时，可以采用在管道外面夹装的非 接触式进行流量的测量瞳1 | ，不必中断管道，相比其他原理的流量测量更为简单和 方便，测量精度高，适用于多种工业现场，近年来得到广泛的应用。 与其它流量计相比，超声波流量计主要具有以下几个优点： 非接触式测量，不破坏流体流动的流场，没有压力损失，可精确测量脉动 流，测量精度高。 无需对管道进行特殊加工处理，仪表的安装、调试不影响流体管路系统的 正常运行。 适用于多种不同类型的流体介质，常见流体如水、石油等，同时对于其它 方法不便测量的情况也适用，如工业生产的高温高压、具有腐蚀性的液体、高粘 西南科技大学硕士研究生学位论文 第4 页 度的液体或气体等。 通用性好，同一仪表可以测量不同管径的管道流量，管径测量范围宽，测 量范围为2 5 m m 1 6 0 0 r n m ，使用时不必严格考虑管材和壁厚，成本不因管径的提高 而增加。 集成电路的迅速发展使其极易做到小型化、智能化和便携式，集成电路速 度的提高使测量精度得到进一步提高。 应用概况： ( 1 ) 适用于测量多种类型的流体介质，如传播速度差法可以测量洁净的单相液体 或气体，典型应用有自来水、液化天然气等乜2 儿23 | ；颗粒或气泡等含有杂质量不太 高的气液或固液双相流体，如：未经处理的污水、工厂污水废水等各类排放液、脏 流程液等一些通常不适用于时差测量的液体可以采用多普勒法进行测量瞳4 1 。 ( 2 ) 对于气体流量测量的应用上，在高压天然气领域己取得良好的使用效果； 由于超声波流量计具有的上述优势，使其在工业现代化生产、医疗检测、天然 气运输、自来水检测和石油勘探等社会生产生活诸多领域得到了广泛的应用。因 此，对于超声波流量计的性能的完善、测量精度的提高、使用范围的增大、人机 间良性交互、数据的显示和存储、系统的稳定性、仪器的便携性及性价比提高等 方面，都有着重要的研究意义。 1 4 设计的主要研究内容 本文主要在以下几个方面进行了讨论： 第一章对结合国内外超声流量计研究的历史和现状阐述了设计研究的背景和 意义，并对自己的研究内容进行的概括和简要介绍。 第二章介绍管道流体运动学的知识，分析了目前超声波测流领域的主要测量 方法及基本原理。 第三章提出了本系统的总体设计方案，并介绍了系统的硬件电路的设计和实 现，包括基于$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式最小系统的设计、外围电路设计和流量测量电路设 计。 第四章介绍了系统的软件设计和实现的功能，由嵌入式l i n u x 操作系统设计、 外围电路软件设计和流量测量软件设计组成。 第五章介绍了系统的实验测试，对系统的实验结果进行误差分析和总结。 第六章结合本系统实验结果，对超声流量计的研究做了总结和展望。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 超声波流量测量原理的介绍 2 1 管道流体流场规律 2 1 1流量与累积流量 ( 1 ) 流量 流量是单位时间内流体流过管道的横截面或明渠横截面的质量或体积量，其 具体的数学表达式如下： q ：坐：谢 ( 2 1 ) ，= = v 丑 厶上 g 。：竽：p k a ( 2 2 ) g m2 百2 屺一纠 吼是体积流量( 聊3is ) ，q 。是质量流量( k g s ) ，矿是流体体积( m 3 ) ，m 是 流体质量( 堙) ，f 是时间( s ) ，p 是流体密度( 姆聊3 ) ，可是管内面平均流速 ( m s ) ，4 是管道横截面的面积( m 2 ) 如果流体的流动不随时间的变化而产生显著变化，称这类流体为常流，式2 1 和式2 2 中的时间出可以取任意单位时间。如果流体不是时间固定的常流，即流 量会伴随着时间而不断发生变化，那么，式2 1 和式2 2 中的时间垃就应该足够 短，并最终可认为在该段极短促的时间内流体的流动是稳定的乜引。由此分析可知， 流量的概念在这里是瞬时的概念，流量即为瞬时流量的简称。 ( 2 ) 累积流量 在一时间段内，流过管道横截面的流体的体积或质量的总量称为流体的累积 流量，也常称为流体总量。其数学表达式可以表示为流量对时间进行的积分即： 矿= f 2g v d t ( 2 3 ) 朋= f 2q m d t ( 2 4 ) 2 1 2 层流与湍流 具体实际环境中的流体具有一定的粘性，经相关的研究发现，管道中流动的 流体呈现两种流动状态，一种状态被称为层流流动状态，另外一种称为湍流流动 状态。这是两种性质和规律完全不同的流体的流动状态乜6 | 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 层流状态是指管内流体只进行轴向运动，没有垂直于轴向的方向流体运动的 一种横向的运动口7 1 。层流流动时，可以认为管道内的流体是分层流动的，各个不 同的流层之间互相不产生混杂，流层之间不存在流体质点的相互交换，各流层中 的质点只在管道轴线的平行方向上运动。在通过一段管道时，流体产生与流量值 成正比关系的压力降。 湍流状态是指流体质点化后，各个流体质点既有平行于轴向的运动，也有横 向的运动。与层流不同的是，湍流时的管内流体不再呈现分层状态进行流动，流 体质点除沿管道轴线向外横向运动外乜踟乜引，还存在径向急剧的运动，通过一段管 道时流体的压力的降低与流量值的平方成正比。 判断管内流动是层流还是湍流的依据是流体的雷诺数r c ，定义如下： r e ：p v = a ( 2 5 ) 叩 式中，圪是流体管道截面上的平均速度，d 是管道的直径，叩为流体的运动 黏性系数。 如图2 1 所示即为管道层流( 左) 、湍流( 右) 状态下的速度分布： 戮| n = i 0 、 彦。j n v 川s ) 图2 - 1 管道层流与湍流分布图 f i g 2 1 t h el a m i n a ra n dt u r b u i e n td is i r i b u t i o no ft h ep i p e ii n e 2 1 3 流速分布与平均流速 ( 1 ) 流速分布 通过管道横截面运动的流体质点的速度轴向分量的分布称为流体的流速分 布。这是流体在实际环境中都会带有粘性的原因造成的。在粘性的作用下，流速 分布的一般有以下规律：因流体与管壁之间存在粘滞作用，当流体质点距离管壁 较近时，该处质点的流速就较小，管壁上的流速接近于零；相反，距离管道中轴 线越近的部分，因为流体与管壁见产生的粘滞作用不断减小，流速就越大，管道 西南科技大学硕士研究生学位论文 第7 页 中心轴线的流速值为管道内的流体流动的最大流速口0 | 。 在管道中的流体因为流动状态不同而呈现出来的流速分布也不同，相关研究 人员经过长期的生产实践活动，对管道内部的流体的流速分布做了大量的理论与 实验检验的研究工作，提出了许多流速分布的数学模型 3 1 ，其中较实用的流速 分布模型为： 层流流动时流速分布模型： u = 。【1 一e ) 2 】 ( 2 6 ) 湍流流动时流速分布模型： l |! 屹= v m 瓤【1 一书” ( 2 7 ) 式中，是管道中心的径向距离，匕是距管道中心处的流速，v 懈是管道中 心的最大流速，r 是管道半径，玎是随雷诺系数不同而变化的指数。 ( 2 ) 平均流速 速度式流量计通过检测流体的速度来计算流量值，一般情况下，对于管道流 体流速是检测的管道内流体的平均流速。在雷诺数、流量等参数计算中涉及到的 流速值，一般都是用平均流速来计算的，从这个方面也反映出平均流速是所有流 量测量领域的测量参数中较为重要的参数口引。 平均流速，一般是指管道截面上流过的流体的平均流动速度。当管道内部流 体以某一流速v d 均匀分布时，通过管道某个横截面的流量等于管内流体以某一速 度分布叱流动时通过该管道横截面的流量，则屹就是该截面上速度分布为u 时的 平均流速3 | 。其数学表达式为： v ，：旦：丝( 2 8 ) “ 么么 对于圆管，可以求得层流状态下平均流速为： ：, f v 矿。2 r c r d r ： 型2 t r y = = 1 垃- r d r 每 2 1 一i 砌 2 n 2 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 对于以湍流状态流动的管道流体而言，超声波并不是完全流过管道横截面， 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 而多数情况是经过管道的中心轴方向，因此用管道流路方向上的平均流速来等效 所要测量的流体的流速b 3 瑚3 ，将之记为v ，则可用数学表达式表示为： v ：尘竺( 2 - 1 1 ) 对于圆型管道，在层流状态下，管道内部的中心轴线方向上的平均流速为： v ：百2 f v f l r ：毕毛3 2 尺r 一 2 云v ( 2 - 1 3 湍流状态下，管内中心轴线方向匕的平均流速为： v ：坐： 2 尺厶、 v m 。r 1 一主) i 咖 r 2 n 屹2 万石v 门 2 丙1 “玎+ ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 2 2 超声流量计的基本测量方法 2 2 1 传播速度差法 传播速度差法是指超声波在流动的流体传播时，顺流和逆流的传播时间不同 带来的时间差值会反映出被测流体的流速大小情况口引，从而根据流体力学知识可 以进一步求出流体流量的一种测量方法。根据所测的具体物理量的不同，所以传 播速度差法具体又可以分为时差法、频率差法和相位差法三种方法6 | 。 ( 1 ) 时差法的基本原理 时差法是指测量电路对超声在顺流和逆流传播的时间的进行测量求得差值， 进而得到流速值，最终计算出流量值口铂口8 | 。该方法是目前超声流量测量市场上应 用最为广泛的基本测量方法之一。但时差法对于测量器件的要求较高，且流量计 容易受到温度的影响，流体温度变化对这种系统测量精确度的影响不能忽视，这 些都是影响其测量精度的主要因素b 9 | 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 2 超声波流量计测量原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p i eo ft h eu i t r a s o n i cf f o w m e t e r 基于时差法的测量原理如图2 - 2 所示，图中所示的管道为外夹式超声波换能 器，采用v 型同侧安装方式，用于循环发射或接收超声信号。管道的内径记为d ， 超声波在流体静止时的传播速度记为c ，流体的平均流速为v ，超声波在被测流体中 传播方向与管壁间的夹角记为a ，f 为声路延迟时间，则超声波在被测流体中的顺 流传播时间珞和逆流传播时间t h 引，可表示为： ( 2 - 6 ) 于是， 缸：。一： 兰塑 。17)t20 一s 2(c2-v：sin2a)cosa(2-1 由于c 2 v 2s i n 2 咖，从而可得传统时差法流速方程： v ：j 二一出 ( 2 1 8 ) v = 一f 厶一l o 2 d t a n a 单位时间体积流量q 的计算公式为： d ：可s ：可丝：垒望出 ( 2 1 9 ) 一48 k t a n 口 式中，可：v k 为管道横截面上流体的平均流速( 单位：m s ，当流体均匀 流动时约等于v ，) ，k 为流速修正系数，s 为与流速矿相垂直的管道横截面面积( 单 位：朋2 ) ( 2 ) 相位差法的基本原理 时差法发射端的激励发射的信号多为短促的超声脉冲，相位差法换能器的发 射和接收的信号是连续的或者周期较多的脉冲列，避免测量微小的时间差转而测 量相位差h 1 | 。若超声波连续脉冲列频率记为，对应的相位可表示为砂= 2 z t f ，于 是可以得到顺流和逆流时超声换能器接收到的信号相位差= c o a t = 2 r e f a t ，进 r r 十 + ) ) 仅 a 瞄 啷 矿 v + 一 p p a a要暑豺豺 i | = s ，_”。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1o 页 一步求出q = 岩矽，可以看出q 与呈线性关系，从而可以实现相位测量获 q t a n a 得流量值。据声速大小受到温度影响的相关实验表明，纯水温度每增加1 ，带来 的声速误差为0 3 ，结合流量公式可知，该影响会给流量值带来误差，且对测量 精度影响不可忽略。 ( 3 ) 频差法的基本原理 频差法是这样的一种测量方法，在一段固定的时间内，超声换能器发射激励 信号脉冲，使换能器发出超声波，该超声波经管道被接端接收，通过电路捕捉信 号到达时刻，并使发射端再次发射激励脉冲，发出超声波，从而形成一个声电信 号的闭路循环系统，通过测量顺流与逆流时的循环频率差值来最终获得流量值h 2 | 。 如图2 1 所示，结合直接时差法推导可知，超声波在被测流体中的顺逆流传播时间 为： 十是有： a f = f s - f n = i t s - i t , , = 瓦= 2 i d v s i n 西2 a ( 2 - 2 。) ( 2 d + 甜s i n a ) z 一( 二二二= 二= ) 上 因c v ，贝t j ( 2 d + c fs i na ) 2 ( 半) 2 ， 于是，鲈简化后，得： s i l l 2 口 一：垫墅丝： 2 垡 v( n21atz - z ) = 一= 2 鼍一v l， ”( 2 d + c r s i n a ) 2 ( 1 + 1 s m 厂a ) 2 从而可以得出流速公式为： 管道流体瞬时流量为： ( 1 + 晋) 2 鲈 忙s 盖i n 产z a ( 2 2 2 ) r f 十 + ) ) a a 啷 啷 矿 v 一 p p ， 仅 口目璺 豺豺 = | i s h f 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 q = 圪s r = _ n v a 广d 2 ( 2 2 3 ) 式中，形= v k 为管道横截面的平均流速，k 为流速修正系数。 瞬时流量为： 。：y 。s ：d 3 j r ( 1 + c r 丝s m a ) 2 a f ( 2 - 2 4 ) g = 圪心= 瓦蠢 2 2 2 多普勒效应法 多普勒法适用于流体中含有悬浮粒子的流量测量，比如血液、含杂质颗粒的 污水和蒸汽等。 其基本原理如图2 3 所示：超声波发射器为一固定声源，超声波发射器所发射 的固定频率的超声波在流体中传播时，与固体悬浮颗粒相遇后，超声波被反射到 超声波接收器上，接收到的超声波频率与发射时的超声波频率不同，该频率差的 产生是流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移造成的。而该频移量与流体的流 速成正比，因此可以通过测量获得该频差值求得流速，进而获得流体流量值。因 此，超声波多普勒测量的一个必要条件就是：被测流体介质应是含有一定数量可反 射声波的固体粒子或气泡等的两相介质h 3 | 。 图2 - 3 多普勒效应示意图 f i g 2 - 3s c h e m e so fd o p p i e re f f e c t 如图2 3 所示，当发射的超声波在管道轴线上遇到悬浮粒子时，而该粒子正以 速度“沿管道中心轴线运动，则以超声波发射器为参照物，该粒子是以速度u c o s a 远离发射器，因此粒子接收到的超声波频率以比发射的超声波频率石小，根据多 普勒效应相关公式推导可知，粒子所接收到的超声波频率为： 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 五：石( 1 + 竺型) ：f c - u c o s a ( 2 2 5 ) 式中，z 是发射超声波频率，a 是超声波束与管轴线夹角，c 是流体中的声 传播速度。超声波被悬浮粒子散射到超声信号接收器，因其以u c o s o 的速度在远 离接收器，故接收器接收到的超声波频率以再次降低，于是六可表示为： 石= 五忑蒜2 五志 ( 2 - 2 6 ) 将以的表达式代入上式，可以得到： 六= z 坐坚 ( 2 2 7 ) 多普勒频移厂即为超声信号接收器接收到的超声频率与发射的超声频率之 间的频率差，其具体计算表达式为： a f ：石一石：石鱼竺 ( 2 2 8 ) 因超声波的传播速度远大于流体流速，故上式可写为 a f ：彳一五：彳2 u c o s a ( 2 2 9 ) 于是，流体流速为： u ：l 厂 ( n z - n 6 u n ) = 一， l 2 1 , c o s ( x 。 最终可获得流体流量为： p ：l 7 r ( 2 3 1 ) 。 2 f , c o s a 式中，s 为被测管道流体流动的横截面面积，由2 3 1 可知，当流量计、管道 条件及被测介质这些条件值一定时，多普勒频移与体积流量成正比，因此测量得 到频移量a f 即可获得流体流量q h 引。 2 2 3 波速偏移法 超声波在流动的流体中传播时，流体会对声波信号产生作用，使超声波波束 的传播方向偏离原来的传播方向，尤其在超声波传播方向与流体流动方向垂直时， 这种偏移更加明显，研究人员发现可以利用这种波束偏移现象对流速进行测量。 于是，接收换能器接收的波束强度的差值变化即反映出偏移情况，从而换算得到 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 流速值的大小h 引。 图2 - 4 波速偏移法原理图 f j g 2 - 4p r i r c i p i eo fu i t r a s o n i cv e i o c i t yo f f s e tm e t h o d 当流体不流动时，超声波经发射端入射后，传播到接收换能器墨和垦的接收 信号强度相同，强度差值为零；当流体以流动速度以运动时，超声波实际的传播 方向是原来的发射方向与流体的流动方向的合成，即发射的超声波声速c 与流体流 速以两个矢量的合成方向，该方向与原发射方向之间的偏移角为9 ，此时接收器墨 和足的信号强度不同，且随着臼的增大而增大。于是，流速大小最终可以通过比 较接收器冠和足中接收信号强度差( 即电压差) 得到反映，具体数学关系为： t a n0 = ”c ，根据管道液体流动与静止时的超声波强度分布情况，可以进一步获 得该正切值，进而可以计算得到管道中流体的流量值m 6 | 。 2 2 4 相关法 相关流量测量技术以相关理论为基础，主要用于解决两相如气液、气固和液 固等流体和多相流体的流动参数测量问题。 对于管道中运动的流体，其内部因随机流动会自然产生随机噪声，根据这一 现象，可以测量流体流过相距一定距离的两截面的时间间隔来间接测量流体的流 速。流速的测量精度由渡越时间和超声波波束之间距离的测量精度大小决定。两 个固定波束之间的渡越时间不受流体中声速变化和流体性质的影响，流速测量精 度会受到流体的流场分布影响h7 j 。因超声波互相关流量计的以上特点，使得对于 该方法的研究越来越受到人们的重视，有很好的应用前景，德国和英国等研究机 构在此领域进行了较全面的研究工作，其中1 9 9 8 年德国科学研究院即资助两所大 学的8 个研究所在此领域开展研究工作h 8 | 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 - 5 相关法测量原理图 f i g 2 - 5p r i n c i p l 8o ft h er e i a t e du i t r a s o n i cv e i o c i t ym e t h o d 具体原理如图2 5 所示，在管道壁外侧分别安装两组结构与性能完全相同的超 声波换能器，这两组换能器垂直于管道轴线方向并且保持一定的间距，根据流体 流动的方向，分别称之为上游换能器正和下游换能器正。对管道流量测量时，两 组换能器向被测流体发射具有一定幅度的超声波信号，当管道内流体流动时，由 于流体内部产生的随机噪声现象，这些噪声会对换能器发出的超声波能量束产生 随机调制作用。管道流体运动信息便加载到超声波信号中，通过换能器声电信号 转换成电信号，即可分别从上、下游换能器提取出与被测流体流动状况有关的流 动噪声信号。对这两个信号进行相关运算，可得出平均流速”，并计算出此时的 流量值。 2 3 本章小结 本章从超声流量测量的基本原理出发，首先介绍了管道流体运动的知识，主 要对流体的不同流动状态进行分析，进而得到流体流量计算的经验公式。在此基 础上，对利用超声波信号测量流量的基本测量方法和具体原理进行了分析与总结。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 3 系统的设计方案与硬件实现 3 1系统的设计方案 3 1 1 系统设计方案的选择 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声 波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量； 波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反 映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大；相关法是利用相关技术测量 流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度 等无关，所以测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。 本系统为管径d n l 0 0 的纯净水流的流速测量，流速范围在1 0 到2 5 m s ，因此 宜采用传播速度差法。 现有市场上，超声流量测量多为时差式，但对本系统而言，因采用时差法测 量时的流量为：q = 面舌烹三，而相位差法的流量为：q = 篆咖，即两种方 法在测量精度上都会受到声速c 的影响。实验表明，采用有机玻璃声楔进行的时 差式测量中，流体温度每增加i o 。c ，即有1 左右的测量误差( 对于纯水而言， 声速误差达到3 左右) ，且声速温度系数是一个变化值，另外，流体组成或密度 的变化，也带来声速的变化。因系统所用铜管的管径较长，声路延迟时间r 对于系 统精度的影响可以忽略不计，由公式( 2 2 2 ) 知：v = 尝鲈，因此采用频差法 消弱了声速对系统测量精度的影响。 基于以上各个方面的考虑，结合实验室现有条件，本文采用了频差法进行流 量的测量。 3 1 2 系统主要性能指标 超声流量测量系统的主要技术指标有：测量精度、测量管径范围、流速测量 范围、适应环境温度范围等。本系统主要目标为：测量精度达到5 以内；系 统流量测量稳定性，且所测流速范围为1 0 到2 5 m s ：良好的交互界面：完成对 瞬时流量、流速和累积流量基本数据显示，并完成月流量和年流量显示、时间校 准与修改、数据清空和对于不同管道进行参数修改；数据存储功能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 3 1 3 影晌系统设计的主要问题 由于本系统是管径为d n l 0 0 的铜管，管径相对较大，因此信号在声路中的损 失较大，于是对接收端信号的放大滤波有较高要求；另外，采用声环测量频差的 方法，为了声环快速建立并运行稳定，因此设计合理的声环是系统设计的关键。 同时，整个系统需要有较高的响应速度，对电信号的处理速度有较高要求，选择 合适的嵌入式系统也是设计的主要问题之一。 3 1 2 频差式超声流量计系统结构框图 本设计所采用频差式超声流量计系统结构如图3 1 所示，该系统由以下几个部 分组成：超声波换能器、电路系统处理部分和软件系统。所选择的两个超声波换 能器的性能指标完全相同，安装在管壁的两侧，通过流体后经接