（机械制造及其自动化专业论文）基于fpga的超声波流量计的研究与设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点在工业测量领域获得了广泛 的应用。然而超声波流量计本身也存在许多不足之处，因此有必要对其加以改进 和提高，以使其工作性能更加稳定可靠。本文从时差法测量原理出发，对如何提 高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的研究，并结合现场可编程 门阵列f p g a 器件，设计出了具有一定精度的智能化超声波液体流量计。 论文首先针对以往超声波流量计容易受温度影响而测量精度不高的问题，采 用改进型的算法进行测量，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响，同 时根据流体力学有关知识，对管道流体流速分布规律特别是流速分布修正系数进 行讨论，并提出了超声波流量计系统的总体设计方案。 然后对插入式换能器的结构进行了设计，该结构利用球阀进行插入、取出转 换，可实现换能器的在线安装。接着对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详 细的分析与设计，根据所选超声换能器的特性，设计出了匹配良好的发射和接收 电路，提高了收发电路的工作效率；使用多级放大和自动增益控制电路来提高放 大电路的动态范围，以适应不同管径的需要；采用三阶t 型巴特沃思带通滤波器， 提高信噪比，减小干扰信号的影响；选用低导通阻抗的模拟开关进行发射和接收 通道的切换；采用现场可编程门阵列f p g a 器件设计高精度计数电路实现对传播 时间的精确测量；另外还介绍了软件系统的设计，主要实现对液体流量值的计算、 显示、存储和传输以及参数的修改，完善了整个系统的设计。 最后对研制的超声波液体流量计样机进行了实流测量试验，测试数据显示系 统具有较高的测量精度，达到了设计要求，且运行稳定可靠。 关键词：超声波流量计，时差法，f p g a ，自动增益控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r i a lm e a s u r e m e n tf i e l df o r t h et w o a d v a n t a g e s ，n o n c o n t a c ta n di n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c ew i t he a s e h o w e v e r , i ta l s o h a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，t h u si ti sn e c e s s a r yt om a k em o d i f i c a t i o na n dm v a n c ei no r d e r t h a ti tc a nw o r km o r es t a b l ea n dt r i e d b a s e do nt h em e a s u r e m e n tt h e o r yo ft h e t i m e - d i f f e r e n c e t y p eu l t r a s o n i cf l o w m e t e r , t h ea r t i c l em a k e sd e e pt h e o r e t i c a lr e s e a r c h o nt h ep r o b l e mo fi m p r o v i n ga c c u r a c y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y a n d , c o m b i n a t i o no f f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yd e v i c e s ，ah i 曲p r e c i s i o no fi n t e l l i g e n tu l t r a s o n i cl i q u i d f l o w m e t e ri sd e s i g n e d f i r s t , o na c c o u n to ft h ep r o b l e mt h a tt h ea c c u r a c yo ft r a d i t i o n a lu l t r a s o n i c f i o w m e t e ri se a s i l yi n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e ra d o p t e da l li m p r o v e d a l g o r i t h mt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo na c c u r a c yb yt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n , m e a n w h i l e ， d i s c u s s e dt h e d i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yo ff l o wv e l o c i t yo fp i p i n gf l u i d , e s p e c i a l l y c o r r e l a t i v er e v i s i o nc o e f f i c i e n to ff l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt ok n o w l e d g ei n h y d r o m e c h a n i c s ，a n dp r o p o s e d t h eg e n e r a ld e s i g no fu l t r a s o n i cf l o w m e t e r t h e n , t h ep a p e rd e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fp l u g - i n 仃a n s d u c e r w h i c hc a nr e a l i z e o n l i n ei n s t a l l a t i o no ft r a n s d u c e rb yu s eb a l lv a l v e a f t e rt h a t ，t h ea r t i c l ea n a l y z e da n d d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i to ff l o w r n e t e r i nd e t a i l ，a c c o r d i n gt ot h es e l e c t e d u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rc h a r a c t e r i s t i c s ，b e t t e rm a t c h i n ge m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t s w a sd e s i g n e dt oi m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y ；m u l t i - l e v e la m p l i f i c a t i o na n da u t o m a t i cg a i n c o n t r o lc i r c u i tw e r eu s e dt oi n c r e a s et h ed y n a m i cr a n g ea n dm e e tt h en e e d so fd i f f e r e n t d i a m e t e r ；t h i r d o r d e rb u t t e r w o r t hb a n a s sf i l t e rw a s i n t r o d u c e dt oi m p r o v et h es i g n a l t on o i s er a t i oa n dr e d u c et h ei m p a c to fs i g n a li n t e r f e r e n c e ；l o w - r e s i s t a n c ea n a l o g s w i t c h e sw e r es e l e c t e df o rt r a n s m i ta n dr e c e i v ec h a n n e ls w i t c h ；h i g h - p r e c i s i o nc o u n t e r c i r c u i tw i t hf p g aw a sd e s i g n e dt or e a l i z ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mt r a v e lt i m e s i nt h es o f t w a r ep a r t ，s o m e f u n c t i o n sc a r r i e do u tb yt h es 0 1 a r ea lei n t r o d u c e d f i n a l l y , u l t r a s o n i cf l o w m e t e rh a sb e e nt e s t e d ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mr u n s t a b l yw i t hh i 曲p r e c i s i o na n d h a sa c h i e v e dt h ed e s i g no b j e c t i v e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf l 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 , f p g a ，a u t o m a t i cg a i n c o n t r o l n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的致士学位论文复至盟遨型邋塑蛔虫 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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己经发表或撰写过的研究成果。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作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期： 学位论文使用授权书 妒尹6 ，厂 t 。 山叮，( f l 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、宁国优秀硕士 程 ) ，愿意将本人的鲤士学位论文 学位论文全文数据库出版章程 ( 以下简称“章 提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名： 年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 应用超声波测量流量的意义 利用超声波测量流体流量是超声技术在工业测量方面发展较早的应用之一， 近几十年来，随着工业调节技术和自动控制技术的发展，对工业流体流量测量技 术的要求愈来愈高，因而超声波流量计的应用范围正在不断地扩大。例如：在化 工和石油化工生产流程中，流体流量的控制和监督；在水力发电站中检测动力设 备的经济运行而对媒质流量的连续测定；在水文测量工作中对河川、海峡水流流 速的测定；在气象预报中对风力级别的判定以及在医学上使用的血流量计等方面 都可以应用超声波流量计【l 】。 与经典的流量计相比，超声波流量计具有下述优点：首先，超声波流量计能 制作成非接触式，可对不易接触和观察的流体进行测量，不改变流体的流动状态， 因而对管道内流体的流动不产生附加的阻力；其次，超声波流量计不受流体物理 性质与化学性质的影响，诸如流体的粘性、导电性、混浊及腐蚀性【2 】等都不妨碍 超声波流量计的应用；第三，超声波流量计对流体流速的变化响应快，测量范围 大，系统的稳定性好，尤其对于超大型管道有其独特的优势。 正是由于超声波流量计显著的特点，在工业领域有着广泛的实用价值，所以 超声流量测量技术在近年来己得到迅速发展而成为流量测量技术中的一个重要分 支。 1 2 超声波流量计的发展历史与现状 超声波是指声音频率高于人耳听觉范 ( 2 0 - 2 0 k h z ) 的声波，研究利用超声波 测量流体流量已有数十年的历史。1 9 2 8 年，一位德国科学家获得了超声波流量测 量的首项专利 3 1 ，应用超声波原理测量流量开始：3 0 年代首先研制出传播时间法 中的相位差超声波流量计，5 0 年代研制成频差法的m a x s o n 流量计，用于测量 航空燃料，从研究阶段进入应用阶段；6 0 年代各国竟相研制，出现大量专利申请： 6 0 年代末，出现了多普勒效应的超声波流量计；进入7 0 年代随着电子技术的发 展，性能日益完善的各种型号超声波流量计投入市场，但仍限于液体流量的测量。 只是在2 0 世纪8 0 年代开发出了成本更低的数字电子技术、人工智能技术、高速 数字处理技术、数字超声技术等现代先进技术之后，落后的模拟超声技术才逐步 被取代，实现了真正的高精度流量计量m 。 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，8 0 年代中期，开封仪表 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从日本富士电机公司相继引进专用技术，生产 具有8 0 年代国际先进水平的超声流量仪表，但是市场基本为国外产品占据。我国 超声波流量计年产量9 0 年代初估计为8 0 0 1 0 0 0 刽7 1 。但国内生产的超声波流量 计无论从测量精度上还是测量方法上与国外相比都有一定的差距。我国于9 4 年正 式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草、分别经国家技术监督局和建设部 批准的 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) 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j 。 从超声波流量计的发展史来看，美国最早着手这方面的研究，而且很快就有 产品投入使用，到1 9 7 5 年全国就有1 0 0 0 多台超声波流量计在工作。前苏联以及 西欧各国也很早就开始从事这方面的研究。前苏联的科学工作者广泛地对流量测 量理论进行研究，讨论了流速分布中的流量补偿系数问题，并且提出用多路超声 波流量计解决流场畸变对测量精度的影响，为超声波流量计进一步提高精度打下 了坚实基础，但在实际应用方面远不如美国那么活跃。日本是超声波流量计研究 的后起之秀，在消除管外传播时间、提高仪器精度和缩短相应时间方面有独到之 处。在英国，由英国科学院专门拨款给b r a d f o r d 大学，研究成功的相关流量计正 在进一步完善和实用化。我国的超声波流量计研究工作虽然起步较晚，但由于广 大科技工作者的努力和引进国外先进技术，国产的超声波流量计己开始批量生产 并投入使用。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、 南京康创流量计有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、 大连索尼卡电子有限公司、大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公 司等。国外的著名品牌有日本的富士，美国的宝丽声、康创，英国的梅克罗尼等 【9 l l 】 o 目前的时差法超声流量计主要有夹装式、现场安装的直射式和管段直射式三 种系统。夹装式系统以其可以在较宽的管道口径范围不定点测量、使用简单等特 点而据市场占有率之首。在规定参比条件下的基本测量误差一般为1 5 ，但由于 受现场被测管道多种不易知条件的限制和安装误差等因素的影响，实际测量精度 不高，因此用提高仪表时间分辨率的方法提高其测量精度是有限制的。这种系统 的双声道z 法只能在一定条件下提高测量精度。另外，流体温度变化对这种系统 测量精确度的影响是不能忽视的。实验表明，在使用有机玻璃声楔的条件下，流 体温度每变化1 0 c ，就会给测量增加1 左右的误差。目前有的产品还没有温度 修正，有的用现场实测温度通过对转换器定标进行温度修正，还有的采用声速对 温度不敏感的声楔材料。国外有一种新型的双声道夹装式系统，其测量不受温度 变化和换能器安装误差的影响，比一般夹装式系统的测量精确度高。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 现场安装的直射式系统，目前国外只有少数几家公司研究生产，中国是引进 技术。其特点是可以测量特大圆管或矩型管道。采用高斯积分技术，测量精确度 高( 四声道系统为0 5 ) ，对上游直管段长度的要求低( 四声道系统为5x n d ) 。矩 形管道求定标系数的公式是w e s t i n g h o u s e 公司在a l d e n 研究室用几何相似原理 和激光测速仪监测流速分布的方法，在标准流量装置上做的四声道系统的矩形管 道模型试验结果和相应的理论分析导出的，结论认为：有了定标系数就可以不进 行实验校验，可以依据管道尺寸修正系统的线积分和面积分误差。对于特大圆形 管道，w e s t i n g h o u s e 和o r e 公司等多家协作，同时用四声道湿式系统与i s o 标准 中的流速仪法及其它测流系统进行了大型对比试验，并出版了6 0 0 余页的试验报 告，证实了这种系统在特大圆形管道上的定标公式和给定的精确度都是正确的。 对于这种系统，目前还没有权威性的标准。我国于8 0 年代末、9 0 年代初在几个 大型重点工程的特大圆形和矩形管道上都成功的应用了这种系统【1 2 】。 近年来根据市场情况国内也推出了带管段的直射式系统。其特点是可以把校 验精确度传递到实测管道，本身没有改变仪表系数的因素，因此可以不离线校验， 精确度一般在0 5 1 ，精确可靠。但也需要建立相应的标准。这种系统国外有 代表性的是c r o h n e 公司，他们经大量的试验后认为，这种系统是提高超声流量计 测量精确度及可信度的最好方法。 1 3 超声波的特点及用途 超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其 测量范围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于 几厘米到几米，工作温度从低温( 如液态氧、液化天然气) 到上千度的高温，允许 工作压力从接近真空到几百个大气压，其响应时间从几个毫秒( 引擎控制) 到2 4 小 时( 监控管道流量) ，在医学上可以测量血管流量【l3 1 ，还可以用于江河流量和敞开 水道流量的测量。和传统的流量计，如差压流量计、转子流量计、文丘里流量计、 涡街流量计等相比，超声波流量计有以下突出的优点： 结构简单，安装、使用和维护方便。超声波流量计可以夹持在管道外侧安 装，无需对管道进行改动，这给临时检查管内的流量提供了方便。 可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟量或数字量输 出。 待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。这种非接触测量方 法无压力损失，不破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。 除测量流速和流量外，与微机联合使用，使其智能化后，可以进行各种管 道、流体参数的设置，还可以自动地对流体的其他参数( 如成份、浓度、速度剖面 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 等) 进行综合测量。 超声波流量计的成本和制造难度不随口径的增加而增加，尤其适合大、中 口径管道的测量。 1 4 超声波流量计的分类 超声波流量计应用于流量测量的主要依据是：当超声波入射到流体后，在液 体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。根据对信号的检测原理，其大致可 分为：传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法、噪声法等【l 纠7 】。 1 4 1 传播速度差法 传播速度差法是根据超声波在流动的流体中，顺流及逆流传播时的速度之差 与被测流体流速之间的关系来求流速或流量的方法【l 引。按其所测的物理量的不 同，传播速度差法又可分为( 直接) 时差法、相位差法和频差法三种。时差法就是 直接测量超声波顺流和逆流传播的时间差，它适用于大、中口径管道及明渠流量 的测量，但时差法流量计受温度的影响较大，流体温度变化对这种系统测量精确 度的影响是不能忽视的，其发展方向是提高计时精度和设法降低温度对测量精度 的影响。频差法是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 得流量。频差法精度高、受温度影响较小，但受环境影响较大，工作不稳定。相 位差法通过把时间差转换为相位差，避免了测量微小的时间差，可提高测量的精 度，但受温度的影响依然很大。关于时差法，论文下一章将进行详细的介绍。 1 4 2 多普勒法 多普勒法利用的是声学多普勒原理，多普勒效应认为当发射器与接收器之间 有相对运动的时候，接收器所传感到的声频率会发生改变，这个相对于声源频率 的变化就是多普勒频移，其大小是正比于发射器与接收器之间的相对运动。通过 测量不均匀流体中散射体的超声波多普勒频移，就可以确定流体的流量。这种方 法主要应用于精度要求不高、含有固体颗粒及杂质比较多的场合，在比较洁净的 流体中就难以发挥作用【1 9 1 。 1 4 4 相关法 相关法利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流速测量问题 转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔的测量问题，运用相关测量技 术可实现流体流速的在线测量【2 0 1 。根据测量原理，流速的测量精度主要取决于渡 越时间和两个平行的超声波波束之间距离的测量精度。由于是测量两个固定波束 之间的渡越时间，因此，测量结果不受流体中声速变化和流体性质的影响，但流 体的流场分布影响流速的测量精度。 1 4 3 波束偏移法 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 波束偏移法利用超声波束垂直流体流动的方向上入射时，由于流体的流动而 使超声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体的流速。该方法的 原理与装置简单，工业应用的可靠性高；在流速较高的场合，因其电一子线路简 单，有一定应用价值，但在低流速时的灵敏度与精度较低。 1 4 5 噪声法 一般而言，当流体在管道内流动时，在流体中会产生紊流或涡流等，由于液 体的剪切作用，在一定的频率范围内会产生声波或超声波，此时产生的噪声的强 度与流速成比例，通过噪声的检测可以得出流体的流速。噪声法超声流量计测量 电路只需一个超声接收电路( 无需发射电路) ，因而结构简单，价格低廉，安装方 便，便于测量和携带，适用于对测量精度要求不高的场合。但噪声法存在的主要 问题是：信号很弱，现场背景噪声的干扰影响测量，精度和稳定性不高。 这些方法各有优缺点，在实际应用中，要根据待测对象和要求的精度进行选 择。例如，在某些工业测量中有5 - - 1 0 的精度就够了，这时可以采用波束偏 移法或噪声法。目前，工业上常用的方法是传播速度差法和多普勒法，用这两种 方法作研究的很多，所以生产的产品性能也比较稳定，精度也比较高；相关法的 研究也比较活跃，并有相应的产品问世，随着技术上的进一步成熟，相关流量计 将得到很大的发展。 1 5 论文目标与主要内容 超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点在工业测量领域获得了广泛 的应用。然而超声波流量计本身也存在许多不足之处，如稳定可靠性差，测量范 围窄，精度不高等。 本课题主要是针对目前超声波流量计的一些不足之处，分析影响超声波流量 计计量精度的主要因素，研究和设计具有一定精度的智能化超声波液体流量计， 并对其加以改进和优化，提高流量计的可靠性和稳定性。 论文的主要内容如下： 第1 章介绍了超声波流量计及其发展历史和国内外研究现状，提出本课题的 研究目标和内容。 第2 单详细介绍时差法超声波流量计的测量原理，根据流体力学知识，对管 道流体流速分布规律特别是流速分布修正系数进行讨论，并确定系统总体设计方 案。 第3 章根据系统要求，对插入式换能器的结构进行了设计，该结构利用球阀 进行插入、取出转换，并能有效防止探头杆受压反冲。 第4 章从参数计算、器件选择等方面，对整个系统硬件电路的详细分析与设 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 计，包括超声波发射电路、接收电路、发射接收切换电路、数据处理与人机接口 等电路的实现。 第5 章介绍了系统软件的实现和f p g a 设计，分析了几个主要模块的设计 思想并给出相应的流程图。 第6 章对系统进行了调试和实流测量试验，并对影响流体流量测量精度的各 种因素进行了分析。 第7 章对论文进行总结，提出进一步研究的设想与建议。 6 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 2 时差法超声波流量计 2 1 时差法测量原理 时差法超声波流量计是利用测量超声波在管道中的传播时间而实现的。介质 在管道中的流速与超声波沿介质顺流和逆流传播时间存在一定的关系。只要分别 测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以得到沿管道路径上各点流速的瞬时 平均流速，进而得到流体流量。 时差法测量的基本原理如图2 1 所示。两个超声波换能器a 和b 安装在被测 管道上下游两侧，使其轴线重合在一条斜线上，测量时两个超声波换能器交替的 发射和接收超声波信号【2 l 】。 b a 图2 i 时差法测量原理图 f i 醇1t h e o r yo f t i m ed i f f e r e n c em e t h o d 当换能器a 发射，b 接收时，声波顺流传播，速度快，时间短，司写为： f l = 南 ( 2 1 ) 而换能器b 发射，a 接收时，声波逆流传播，速度慢，时间长，可写为： ，：= 南 ( 2 2 ) 以上两式中的三为两换能器间的传播距离( m ) ，c 为超声波在静止液体中的传 播速度( m s ) ，v 为被测液体的沿声路方向的平均流速( m s ) 。两个方向的传播时间 差a t = ，2 一 为： a t - - t 2 - = 尚 ( 2 3 ) 因矿( ( c ，故矿2 可忽略，故得： 7 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 a t - - - 警 ( 2 4 ) 当流体中的声速为常数时，流速y 便和缸成正比，测出时间差即可求出流速。 一般液体中的声速往往在1 5 0 0 m s 左右，而流速只有每秒几米，如要求流速 测量的精确度达到0 5 ，则对声速测量的精确度需为1 0 一1 0 击数量级，由于声速 受温度影响较大，声速的变化直接影响到测量的精度【2 2 1 ，所以直接利用式( 2 4 ) 不 易实现精确的流量测量。 因此将式( 2 1 ) 改为： c + 矿= ；( 2 5 ) 同理，式( 2 2 ) 改为： 两式相减，得： c 一矿：三 ，2 2 v ：一l 一三：墨! 垒二刍2 r 2 乞 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中流速矿为流体沿声路方向的平均流速，而我们要测量的实际流速是 沿管道的流速，它为沿声路方向流速v 与垂直于声路方向流速的合成量，因此， 实际流速v 为： v = 骊l ( t 2 - t , ) ( 2 8 ) 2 乙f lc o s 日 、 式中0 为声路与流体流向间的夹角即声路角。此式中的l 2 为常数，只要测 出顺流和逆流传播时间f 1 和f ：就能求出，这就避免了求声速c 的困难，不受温度 的影响，可以实现精确测量。 因此流量可由下式确定： q = t 7 r v 2 y ( 2 9 ) 式中七为流速分布修正系数，型；为管道截面积。 2 2 流量测量值动力学修正 2 2 1 流速分布修正系数的计算 8 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 从超声流速测量的原理公式不难看出，计算所得的流体流速是沿声道的线平 均流速而不是整个截面的面平均流速，但是在流量方程中所用到的流速都是指沿 管道截面平均分布的面平均流速。因此在推导最终的流量方程前需要寻找线平均 流速与面平均流速的关系。 由流体力学可知，流体修正系数k 取决于管道的雷诺数尺。，而r 。又取决于流 体的流速、管径和流体的粘度等因素，其值可查找有关图表得到，也可通过计算 得到2 3 1 。当流体在圆形管道内流动时，尺。可由下式计算得到： r 。：丝( 2 1 0 ) y 式中： 。 ，为管内流体的平均流速； d 为管道直径； y 为管内流体的运动粘度。 r 的大小决定了流体的流动状态，k 与r 。的关系视流体的流动状态不同而不 同，可用如下公式计算： 当流体呈层流状态时( 即r 2 3 0 0 ) ： 七：4( 2 1 1 ) 3 、 当流体流动状态介于层流和紊流之间时( 即2 3 0 0 r 萝) 一一 - - _ - _ _ _ o o 一 - l _ _ 一 - o - _ _ 一 、 一一一 _ - _ i o _ _ 一 o _ _ _ - _ - _ _ 一 - ：= ；= 一 ( a ) 层流( b ) 紊流 图2 2 圆管内的流体流速分布 f i 9 2 2v e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi nap i p e 当管内流体在层流状态下，管内流体在半径方向上的流速分布规律可用下式 ) 2 管道中心处的最大流速 ，与管道中心的径向距离 由上式可知，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。 当管内流体呈紊流状态时，管内流体在半径方向上的流速分布为： r 十( 丢) 引 亿柳 式中：刀为随r 不同而变化的系数，其值如表2 1 所示。 从式2 1 5 可以看出，在紊流状态下，管内流速同样以管中心轴线为轴对称分 布，但其分布呈指数曲线形式。与层流状态下相比，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，而层流时的流速分布则与雷诺数无关。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 向上的平均流速，也即直径方向上的平均流速v 。由式2 1 4 可知，在层流状态时， 与v 懈的关系为： v ：坐 ：一 亿峋 = i 1 ，傩 j 由式2 1 5 可知，在紊流状态下，1 ，与的关系为： v ：坐 几一雌 = j _ ( 2 朋) = 一1 ，蛐 以- 4 - 1 “ 而我们所需要的是管道横截面上的平均流速1 ，d 。同样根据式2 1 4 ，可以知道 在层流状态下和的关系是： ”鲁= 等 鬈v r 2 册d r 被2 ( 2 1 8 ) ：韭 2 7 r r 2 1 5 i v 血旺 - 式中a 为管道的截面积。 由式2 1 5 可知，紊流状态下的v d 和v 蛳的关系为： 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 1 ，声盟= 一s a d a 坦 之型二缝 q _ 冗r 2 2 疗2 2 ( 2 n + 1 x n + 1 ) v 一 由式2 1 6 和2 1 8 可得： 1 屹= 1 ， ( 2 2 0 ) 其流速分布修正系数为： k ：兰：一4( 2 2 1 ) 屹 3 可见，只要流体处于层流状态，即使r 有所变化，屹和，一的关系也不会变。 由式2 1 7 和2 1 9 可得： = 丽2 n 1 ， ( 2 2 2 ) 其流速分布修正系数为： k ：三：丝生：l + 一1 ( 2 2 3 ) h 2 刀2 刀 可见，在紊流状态下，和的关系随雷诺数的变化而变化。 以上我们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的理论 计算公式。其中式2 2 3 与式2 1 3 在流体呈紊流状态时能很好地相符，而在流体流 动状态介于层流与紊流之间时，采用经验公式2 1 2 。 上述流速分布修正系数公式都是在理想条件下的理论计算公式，这些公式在 满足光滑管壁和有足够长直管段的条件下，所计算出的流速分布修正系数完全能 满足精度的要求。但在实际测量中，所测管道不一定能满足“足够长 的条件， 此时上面提到的流速分布修正系数计算公式就不一定能满足精度的要求，这时需 要根据实际情况调整流速分布修正系数。 由于管道流体流速分布规律的极其复杂性，到目前为止，人们还没有得到比 较令人满意的流速分布修正系数计算公式或是比较全面的数据表格，在直管段长 度较短时更是如此。因此，流速分布修正系数成了制约进一步提高超声波流量计 重庆大学硕士学位论文 2 时差法超声波流量计 测量精度的关键因素。近几年来，流体力学工作者对管道流体流速分布规律作了 大量的实验研究和理论分析，并有不少文献问世。随着流体力学的不断发展，人 们对管道流体流速分布规律将有越来越多的认识，流速分布修正系数的精度也将 越来越高，超声波流量计也必将获得进一步的发展。 2 3 系统总体设计 系统的任务是利用超声波以非接触方式测量管道中的流体流量的大小，要求 在仪器上显示瞬时流量与累积流量，同时可以与计算机实时进行数据交换。 2 3 1 系统总体结构 根据系统要求，我们规划超声波液体流量计的总体结构如图2 3 所示。采用 c 8 0 5 1 f 1 2 0 型单片机作为系统的控制核心，实现流量计的主要控制功能和流量的 计算，包括换能器驱动控制、发射接收切换控制、a d 和d a 转换、流速流量计 算、通信控制、人机界面处理等；超声波发射电路由光电隔离电路、场效应管 ( m o s f e t ) 门级驱动电路及尖脉冲激励电路组成，采用电容瞬间放电法瞬间产生 负脉冲激励换能器发出超声波；接收电路采用三级放大，第一级和第三级采用高 增益带宽积的运算放大器，第二级采用电压控制增益运算放大器，实现自动增益 控制，在三级放大之间各加入一个带通滤波器，去除低频和高频噪声，使有用信 号顺利通过；经过三级放大之后的信号通过电压比较器进行比较得到过+ 0 5 v 、 和过0 5 v 信号，送到逻辑分析电路进行处理；逻辑分析电路采用x i l i n x 公司的 x c 3 s 5 0 型f p g a 器件来实现，f p g a 实现精确计数，计数器启动控制以及其它 逻辑控制功能；基准时钟采用1 0 0 m 高精度、高稳定度的晶体振荡器；换能器与 发射接收电路之间利用模拟开关进行切换；另外，流量计还具有r s 4 8 5 串行接口、 脉冲输出和4 - - 2 0 m a 电流环接口。 2 3 2 系统工作原理 在系统测量前，通过键盘和液晶显示屏进行人机对话，输入相关参数。测量 开始，单片机控制f p g a 向超声波发射电路输出同步触发脉冲，同时f p g a 的高 速计数器启动，开始计数。触发脉冲经过驱动电路后，使超声波发射电路瞬间产 生一个尖脉冲，激励换能器a 产生超声波。超声波由换能器a 发出经管道内液体 传播到换能器b 接收，转变为电信号回波，经放大、滤波后的脉冲上升沿控制 f p g a 的主计数器停止计数，即得到超声波在管道中的顺流传输时间t l ，将其存 入到f p g a 的缓存器中。n 次顺流测量后，f p g a 给单片机一个中断信号，单片 机响应中断信号后，c p u 从f p g a 的缓存器中读取计数值，同时通过发射接收 切换电路使换能器b 发射，换能器a 接收超声波，得到逆流传播时间t 2 。当顺流 和逆流测量次数达到规定次数之后，单片机根据n 次顺逆流测量结果经补偿和计 1 3 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 算就可得出流体的流速及流量。而累计流量的计算方法是采用每秒钟累计一次的 积分方法。 在正常工作状态下，流量计是处于不断地测量过程中，对于每一个测量周期， 都必须执行以下五个步骤： 测量传播时间坝4 量超声波在流体中的顺流和逆流传播时间 流速计算一根据传播时间计算的流速 流量计算根据声路流速来计算流过整个断面的流量 更新累积流量根据计算出来的流量和测量周期计算累积流量并保存 更新输出在所有变量计算完之后更新显示值 2 3 3 信号检测及控制测量原理 为了能正确地识别第一个脉冲的到来，流量计采用了信号自动增益控制 ( a g c ) ，预期到达信号的范围门控制【2 6 】，以及信号的有效性检验。根据接收脉冲 的强度自动调节接收机增益，每次测量结束后，自动增益控制电路按照刚才的信 号强度调节增益变大或变小。若检测到输入信号太强则调小增益，如果输入信号 太弱则调大增益。上电后或者声路刚进入有效工作时，自动增益控制电路设置一 个与声路长度成正比的初始增益。声路越长，初始增益越大。a g c 电路保证了每 次检测门槛的精确性。 预期到达信号的范围门是根据声路的长度和流经测量断面的流量范围预期信 号最早和最晚到达的时间。该最早和最晚到达时间用来定义三个门，噪声门、范 围门和溢出门。在最早到达时间的o 6 倍处打开接收机，这样可以防止发射脉冲 给接收机带来的干扰及其它干扰，在最早到达时间的o 8 倍处开始等待接收信号， 发射脉冲 接收f l = i 号 噪声门范围门溢出门 图2 4 噪声门、范围门及溢出门示意图 f i 9 2 4t h es k e t c hm a po fn o i s eg a t e 。r a n g eg a t ea n do v e r f l o wg a t e 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 时差法超声波流量计 在这之前为噪声门，它可以排除开关动作带来的干扰，在最晚到达时间的1 5 倍 处关掉接收机，此处为溢出门，噪声门与溢出门之间为范围门( 传播时间范围) 。 噪声门、范围门及溢出门示意图如图2 4 所示。 确定信号接收范围在一定程度上有效地抑制了噪声的干扰。信号有效性检验 是根据换能器频率以及在实验的基础上，另外设置一个有效信号检测门槛来验证 电平的有效性。接收信号的门槛检测电平为+ o 5 v ，另外增设一个过0 5 v 的门槛 电平；当系统检测到+ o 5 v 的信号后，只有当在它之后的0 5 v 电平到达时间在有 效范围之内时，才认为刚才检测到的信号是有效的。否则，认为检测到的信号是 噪声。信号有效性检测确保检测到的信号的可靠性。 重庆大学硕士学位论文2 时差法超声波流量计 i暑qii参。墨。一皇。置一j-o口蛊矗爵一日)i口。一nn眦一函 匦器姆葚蹈盎卿媾n“匝 插 重庆大学硕士学位论文3 插入式换能器结构及安装 3 插入式换能器结构及安装 常用的超声波流量计根据换能器的安装方式分为外夹式、管段式、插入式三 种。外夹式超声流量计可以在较宽的管道口径范围不定点测量、使用简单，但由 于受现场被测管道多种不易知条件的限制和安装误差等因素的影响，实际测量精 度不高。管段式超声流量计特点是测量精度高，能够解决外夹式和插入式系统在 安装过程中由于管道不标准或人为安装误差而造成的测量精度下降的问题，但是 管段式系统的安装必须将现场管道断开，用管道法兰连接，安装过程需停水。插 入式超声流量计利用球阀进行插入、取出转换，不但可以在不停产情况下进行安 装寸维修，而且工作稳定，测量信号强度和灵敏度也有很大提高，是比较理想的 一种测量流量的设备。但是这种插入式流量计在使用过程中也暴露出一定的缺点， 其中最主要的是插入探头杆的反冲。在工业生产的液体输送管道中一般都存在较 大的压力，探头杆在插入过程中或在维修更换时，甚至会在使用过程中由于受到 管内液体的巨大压力而向外冲出，给操作人员造成伤害或影响生产。其次，现在 插入式换能器多采用旋转螺纹的方式插入探头杆，费时，费力，工作效率低【2 7 】。 因此，本章介绍一种能防止探头杆反冲，并能快速省力地插入探头杆的超声波流 量计的换能器，克服现有技术中的一些缺点。 3 1 插入式换能器的结构 3 1 1 结构方案 超声波流量计的插入式换能器的组成包括探头杆、管道连接座、球阀、连接 螺母、锁紧螺母、0 型密封圈、信号电缆、出线嘴螺母等，其中管道连接座、球 阀、连接螺母、锁紧螺母依次连接在一起，探头杆从它们的内孔中穿过。其详细 结构图如图3 1 所示，其特别之处是：探头杆头部设有凸台，其外径大于探头杆 杆体的外径；管道连接座的内孔径、球阀内孔径及连接螺母内孔左半部的直径均 大于探头杆头部外径；连接螺母内孔右半部的直径均小于探头杆头部外径而与探 头杆杆体外径相配合。 探头杆1 头部设有凸台，其外径大于探头杆体的外径，在探头杆头部与杆体 连接处为直角台阶，在由管