（电路与系统专业论文）超声流量测量系统的研究与设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工业生产和科学研究过程中，流量测量必不可少。超声波流量计以其非 接触测量，无须中断管道，测量精度高和测量范围宽等特点，在工业生产， 医疗检测，海洋观测，石油勘探等诸多领域获得了广泛的应用。 本文针对超声波在小管径低流速的流体中的测量精度不高等问题，在查 阅大量国内外资料的基础之上，确立了时差法的测量原理和使用声环法作为 系统的设计方案，对所采用的超声流量测量系统的线性度进行了研究。 本文的主要内容包括控制系统，发射接收电路，信号检测电路和时差测 量电路、显示电路的设计与实现以及所获得数据进行处理等。系统中选用了 a t m e l 公司生产的a t m e g a l6 作为控制芯片，设计合理的发射接收电路，获得 了稳定、性噪比高且适合后续电路处理的超声波信号；在信号检测电路中利 用电压比较电路和单稳态电路获得了准确的超声波到达时刻；在时差测量电 路，采用了a c a m 公司生产的时间数字转换芯片t d c g p 2 对超声波的传播时 间进行了准确的测量；最后对所获得的数据进行了处理并得出了本文的研究 结论。 实验结果显示，本文所设计的超声流量测量系统的测量数据合理，在所 使用的内径18 m m ，外径2 0 r a m 的超声波传感器上的测量精度可达1 ，系 统的测量范围为0 1 - 2 m 3 h ，线性度良好，达到了设计初期的研究目标。 关键词：超声波流量计；声环法；过零检测；线性度 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t f l o wm e a s u r e m e n ti si n d i s p e n s a b l ed u r i n gt h ep r o c e s s i n go ft h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h w i t ht h ef e a t u r eo f n o n 。c o n t a c tm e a s u r e m e n t ， w i t h o u ti n t e r r u p t i o np i p e l i n e ，h i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dw i d em e a s u r i n g r a n g e ，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 n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，m e d i c a l d e t e c t i o n ，o c e a n i co b s e r v a t i o na n do i le x p l o r a t i o n a i m i n ga tt h ep r o b l e m so fl o wp r e c i s i o no ft h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri n s m a l ld i a m e t e r ，t r a n s m i t t i m e sp r i n c i p l e a n ds i n g a r o u n dd e s i g ns c h e m ei s e s t a b l i s h e da n ds y s t e m sl i n e a r i t ya n ds y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ro nt h e b a s i so fc o n s u l t i n ga l a r g ea m o u n to fd o m e s t i ca n df o r e i g nm a t e r i a l s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e sc o n t r o ls y s t e m ，t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g c i r c u i t s ，s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，t i m em e a s u r e m e n tc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i ta n d d a t ap r o c e s s i n g t h ew h o l es y s t e ms e l e c t e sa t m e g a16o fa t m e lc o m p a n ya s c o n t r o lc h i p ，d e s i g n st h er e a s o n a b l et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t sa n d o b t a i n e dt h es t a b l ea n dh i g hs i g n a l t o r a t i ou l t r a s o n i cs i g n a lt os u i t f o rt h e f o l l o w i n gc i r c u i t s t h es i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i tu s e dv o l t a g ec o m p a r i s o nc i r c u i t a n dm o n o s t a b l ec i r c u i tt ow o nt h ea c c u r a t eu l t r a s o n i ca r r i v e dm o m e n t s t i m e m e a s u r e m e n tc i r c u i ts e l e c t e dt h et i m ed i g i t a lc o n v e r s i o nc h i pt d c - g p 2o ft h e a c a mc o m p a n yt om e a s u r et h eu l t r a s o n i ct r a v e lt i m e i nt h ee n d ，w eh a n d l et h e o b t a i n e dd a t aa n dg e tt h i sp a p e r sc o n c l u s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e dd a t ai sr e a s o n a b l e ，m e a s u r - i n gr a n g ei s o 1 - 2 m 3 ha n dm e a s u r i n ga c c u r a c yi s 1 ，s y s t e mh a v eg o o d l i n e a r i t ya n da c h i e v e dt h ed e s i r e dp u r p o s eb a s e do nt h eu l t r a s o n i cs e n s o ro fo u r s y s t e mu s i n g k eyw ords ：u l t r a s o n i c f l o w r n e t e r ；s i n g a r o u n d ；z e r o c r os s i n gd e t e c t i o n ； l i n e a r i t y ； 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 l 绪论 1 1流量测量技术 流量与位移，速度，时间等一起都属于现代物理测量中的基本测量，是 人们对外界事物认识的基本量。在工业生产过程中，流量测量与仪表应用是 其重要的一大领域，流量也是过程控制中的四大重要的参数之一，人们根据 获得的流量和其他参数可以计算出流体的能量，从而为科学实验和工业生产 提供保证。对流体流量的正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行，提 高产品质量，降低生产过程中的损耗，从而为工业生产中降低成本，提高经 济效益打下稳固的基础。流量测量仪表的产值在工业生产过程的产值中占到 了大约2 0 - - 2 5 ，其重要性由此可见一斑，流量测量技术已经广泛应用于 工业生产过程、能量计量、环境保护工程、交通运输、生物技术与科学实验 等各种领域。 流量测量的发展最早起源于城市给水排水系统和水利建设工程。公元前 1 0 0 0 年左右古埃及用堰法来测量尼罗河的流量，适应了埃及农业生产和避免 河水泛滥的需要。1 7 世纪托里拆利( t o r r i c e l l i ) 奠定差压式流量测量的理论 基础，是流量测量领域一个新的里程碑。接着意大利人文丘里研究用文丘里 管测量流量，并于1 7 9 1 年发表了研究结果。到了1 9 世纪中叶，从节流式流 量计开始，逐渐建立了近代流量计的理论基础。2 0 世纪2 0 3 0 年代，又出现 了孔板和碰嘴差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计以及示踪法和稀释 法等流量测量方法。2 0 世纪5 0 年代以后，随着电子技术，材料和加工技术 的飞跃发展，以流程工业为先导的各工业部门和公用事业大量使用流量仪表， 促使各种新颖的流量仪表相继问世和发展，如涡轮式、电磁式、超声式和涡 街式流量计等等。当代应用的流量仪表的主要品种，很多都是这一阶段开发 的扭1 。 流量测量技术就是通过某种传感器或机构，将一种易于测取的物理量与 流量之间建立某种关系，通过这种物理量能够表示流量及其变化，这个物理 量可以是电信号，声速，静压力等等，再把电的，非电的物理量采用相应的、 简便而可靠的信号处理手段转换成流量信号。流量测量的主要任务有两类： 其一为工业生产过程中流体的核算储运提供基础，方便其管理，降低成本， 提高工业系统的生产效率和经济效益；其二是准确计量工业产生的污水废气 排放并对其进行检测和控制，为环境保护提供必要手段。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 总的来说，流量测量是一门复杂、多样的技术，这不仅由于测量精确度 的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、以及 气体和液体的混合体，其测量范围中流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径 从小于1 厘米到几米，其工作环境中温度从低温( 如液态氧、液化天然气) 到上千度的高温，压力范围有从高压到低压的压力范围。而这其中的脉动流、 多相流更是增加了在流量测量过程中的复杂性和难操作性。另一方面，这种 复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用研究n 川。 1 2 超声波流量计 流量测量仪表的种类繁多，其测量原理、结构原理、测量对象、使用方 法以及使用范围等等各不相同，因而对流量测量的划分就有许多原则，没有 一个统一的划分方法。按各种不同的分类原则，大致有以下几类：测量对象 分类，可分为明渠流量计和封闭管道流量计；按测量目的分类，可以分为总 量测量和流量测量；按超声波流量计换能器供电方式不同，可分为外夹式、 插入式、管段式；按输出信号分类，可分为脉冲频率信号输出和模拟电流( 电 压) 信号输出两类；按测量原理分类，可分为容积式、速度式和差压式三类； 按测量方法和结构分类，可分为差压式、容积式、涡轮和电磁流量计，超声 流量计等等。 在这些之中，最通用和流行的测量方法就属按测量方法和结构分类，可 分为差压式流量计、明渠流量计、浮子流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、 超声流量计、质量流量计、插入式流量计、容积式流量计和其他流量计( 包 括激光流量计、靶式流量计、冲量流量计和标记法流量计) 1 1 大类，表1 1 所示为各种流量计的比较 ，。 超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过 检测穿过流体的超声波就可以获得流体的流量。超声波换能器将电能转换为 超声波能量，将其发射并穿过被测流体中，接收器接收到超声波信号，并转 换为代表流量的易于检测的电信号，通过对电信号的信号处理，就可以获得 对流量的检测和显示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 克里奥利流量 计( 质量流量 计) ， 电磁流量计 液体通过震动的管道，使管道产生 扭曲，流过 的质量与扭曲的程度成正比 导电性液体通过磁场， 根据法拉第电磁感应定律，感生电 动势与流速成正比 又称为“正向置换流量计”不断搬 容积式流量计运一定量的液体，流速与搬运的频 率有关 涡轮流量计 液体通过时转子转动， 流速正比于涡轮的转速 高精确度 无移动部 件 非浸入 高精确度 双向流速 高精确度 适合测低 流速 耐久性好 初始投资大 原理难懂 不适用于大管径 只限测导电液体，必 须保证液体充满管内 轴承磨损降低精度脏 的或腐蚀性液体降低 其性能 高精确度 涡轮等移动部件磨 高重复性损泄露传感器失灵 涡街流量计流体流过漩涡发声体产生一定频率中等价格 系统震动影响精度， ( 漩涡流量出现的漩涡列( 卡门涡街) ，流速与有较小的待测液体要保证是无 计)其漩涡出现频率成正比压强降漩涡的静流 一节蓁萋篙与瓣警嚣 超声波流量计是通过检测流体流动对超声波( 或超声脉冲) 的作用以测 量流体流量的仪表，相对于其他的流量计而言，它具有下列主要特点； ( 1 ) 解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难和测量精度的问 题。因为一般流量计的成本会随着管道管径的增大而带来成本和制造难度的 增加，而这些问题超声波流量计均可避免，而且测量精度较高，提高了流量 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 测量仪表的性能价格比。 ( 2 ) 对介质几乎无要求。超声波流量计可以将检测元件置于管壁外而不 与被测流体直接接触，并且不破坏流体的流场，因而不仅可以测液体、气体， 甚至对双相介质( 主要是应用多普勒法) 的流体流量也可以测量。 ( 3 ) 超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体的温度、压力、 密度、粘度等参数的影响。只要能传播超声波的流体皆可用此法来测流速和 流量，尤其适于测量腐蚀性液体、高粘度液体、非导电性液体和气体的测量。 目前较先进的单通道切换式超声波流量计精度可达l 。 ( 4 ) 超声波流量计的测量范围度宽，一般可达2 0 ：1 。大多数超声波流 量计可以测量的液体流速范围是0 1 1 0 m s ，气体流速范围是0 1 1 5 m s t ”。 超声波流量计在不久的将来会具有很可观的市场前景。随着石油和天然 气工业的强势增长，以及行业对于现场设备技术的逐步接受，超声波流量计 的全球市场总额将在今后5 年以内以9 6 的复合年增长率( c a g r ) 增长。a r c a d v i s o r jg r o u p 最近的一份报告指出，2 0 0 5 年该市场总值为2 7 5 亿美元，2 0 1 0 年已经超过了4 3 4 亿美元。超声波流量计正在快速发展成为流量测量领域， 尤其是计量碳氢化合物的首选，。 t o t a ls h i p m e n t so f u i t r a s o n i cf i o w m e t e r sw o r l d w i d e ( m i l l i o n so fd o l l a r s ) c a g i f i 一1 5 3 。o 2 0 0 02 0 012 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 图1 - 1 超声波流量计的销量 f i g 1 1 s a i e so fu i t r a s o n i c f l o w m e t e r s o s 3 2 ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3国内外超声流量测量的研究现状与历史 超声波流量计研究已经有几十年的历史了。1 9 2 8 年法国的o r u t t e n 研制 成功了世界上第一台超声流量计，其后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，但是却没有应用于商业；英国，美国，意大利等国相继 对流量测量展开了研究，但都限于相位差法，进展不大。5 0 年代开发频差法 的m a x s o n 流量计，用于测量航空燃料，标志着超声波流量计已经开始从 研究阶段进入了应用阶段，但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。19 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。6 0 年代出现了大量有 关超声波流量计的专利申请，在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，流量计的性能开始日趋完善，理论上 的研究也随着超声波流量计的推广而逐渐增多，但仍限于液体流量的测量。 进入8 0 年代后，由于i c 技术的迅速发展，锁相技术和微处理机的应用，超 声波流量计的各项性能有了大大提高，超声流量测量技术迅速发展起来 ，。 到了2 0 世纪9 0 年代，超声波流量计在液体和气体计量领域的迅速发展 暴露了缺乏统一标准带来的各种问题。面对各种情况，1 9 8 8 年国际标准化组 织i s o 发布了i s o t r l 2 7 6 5 用时间传播法超声波流量计测量封闭管道内的 流体流量，这个标准偏向液体的流量测量。与之对应，美国气体工业联合会 1 9 9 8 年颁布了第9 号报告用多声道超声波流量计测量天然气流量，总结 了超声波流量计在天然气流量测量领域的阶段性研究成果。这些标准的发布 对于规范和促进超声波流量计的发展起到了很大的作用阳3 。 国外发达国家在超声流量测量领域的研究已经有近3 0 年的历史，其中处 于领先水平的国家有：美国、荷兰、日本、英国、德国和加拿大等。美国最 早着手这方面的研究，而且很快有产品投入使用，到1 9 7 5 年美国国内就有 1 0 0 0 多台超声波流量计在工作。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响应时间方面有独到之处。这些国家 本身先进的电子技术和工业制造领域的优势使得他们在超声波流量计的研 制、生产和应用等方面处在了世界的先进水平，在超声波流量的市场销售份 额中占据了多数。在用户不断增多，市场不断扩大的同时，国外超声波流量 计正在朝着更宽的测量范围、更高的测量精度、小型化从而方便携带、适应 条件更广的方向发展。研究的方向主要集中在进一步提高传播时间式流量计 的测量精度，进一步改进在多声道和多相流和脉动流等复杂情况下的测量方 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 法以及提高系统的抗干扰和信号检测能力等方面。 我国开展超声波流量计研究工作较晚，早期所需的超声波流量计均从国 外进口，6 0 7 0 年代机械工业部上海工业自动化研究所、北京大学相继研制； 近年来又有很多科研机构和生产单位结合实际情况推出一些新颖仪表来满足 流量检测的需要。上世纪8 0 年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生 产具有8 0 年代国际水平的仪表。随着近年来对流量测量的需求不断的增大， 超声波流量计在各个方面取得了长足的发展，已经深入了工业生产的各个领 域。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 比都有一定的差距盯，。 现在国内生产的超声波流量计都是采用的传播速度差法和多普勒法，而 且都是单声道式，通常前一种的测量精度在1 3 之间，量程上限在8 1 2 m s 之间，后一种的精度则在2 以上，量程也比较小，国内超声波流量 计的测量对象一般为液体。对于流速范围比较大的气体还没有很成熟并且能 够利用于工业过程的生产技术。 以后的研究方向主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 从多方面来提高超声波流量计的测量精度，特别是小管径慢流速下 的测量精度，这些可以从提高时间的测量精度，改变测量的方式，采用多声 道传感器等方面来改进； ( 2 ) 研究利用自动增益控制来提高超声流量的测量范围，使超声波能够 适应更多的外界环境，特别是在气体条件下的测量范围； ( 3 ) 在流体不同的流动状态如层流和紊流以及外界噪声的条件下，如何 有效地提高系统的纠错能力，增加系统运行的可靠性，降低系统的功耗，让 超声波流量计能够长久的使用； ( 4 ) 研究如何在大管径、夹装式和流体中有蒸汽或微粒等散射物的情 况下，提高系统的可靠性； 1 4 本课题的研究内容 本文以小管径低流速的流体为研究对象，确立了系统的性能指标，测量 精度为1 和测量范围为0 1 2 m 3 h ，围绕系统的性能指标和声环法测量技 术的实现，详细地说明和分析了硬件和软件的设计原理和结构，并给出了系 统的测试结果。本文的主要研究内容有： ( 1 ) 确立了系统的整体设计方案。该部分主要是在查阅国内外超声波流 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 量计文献和了解超声波流量计的各项性能基础之上，分析超声波流量计基本 原理和系统的研究目标，选择了合适的超声波传感器，确立了以a v r 单片机 为系统控制芯片，并利用声环法来测量小管径低流速的流体流量和研究系统 的线性度。 ( 2 ) 硬件电路设计。该部分根据所选择超声波传感器的中心频率，安装 方式等，设计了合适的接收放大电路，获得了稳定的可供后续电路检测的超 声波信号；信号检测电路利用电压比较电路和单稳态电路完成了对获得的超 声波信号的零点检测，准确地确立了超声波信号的发射和到达时间：时差测 量电路是选用专用测时芯片t d c g p 2 ，提高了系统的测量精度。 ( 3 ) 软件电路设计。该部分利用了a v r 编译开发环境i c ca v r 编写了 c 语言程序，来进行系统的控制。控制系统根据t d c g p 2 和l c m 的控制时 序，对获得的流量数据进行了处理，并送入l c m 显示模块进行显示。 ( 4 ) 数据处理。对所设计的超声流量测量系统进行了初步的测试，并对 所获得的数据进行了处理，分析了所设计的系统的线性度。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 超声流量测量原理 超声波指的是频率高出入耳可听频率极限( 即在2 0 k h z 以上的频段) 的 弹性振动，这种振动以波动的形式在介质( 固体、液体或气体) 中的传播就 形成了超声波。超声波技术应用于流量测量主要是根据超声波在流体中传播 时载有流速的信息，可以通过处理接收到的超声波信号来获得流体的流速和 流量。现代集成电路的飞速发展，锁相环的出现和应用，使得超声流量测量 的可靠性得到保证，并迅速发展起来。 2 1超声波流量计的分类 根据对信号检测的原理，目前所用的超声波流量计可以分为传播速度差 法( 包括时差法，频差法和相位差法) ，多普勒法、波束偏移法，噪声法及相 关法等。 波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流 体流速的，此方法在低流速时，灵敏度很低且适用性不大；噪声法是通过检 测流体在管道内流动时所产生的噪声来表示流速或流量值。这种方法便于测 量和携带，价格便宜但准确度低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使 用。相关法的原理是测出流体在管道内流动时，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，来求取流速及流量。原理上， 此法的测量准确度与流体中的声速无关，也与流体温度，浓度无关，因而流 量准确度高，适用范围广。但相关法仪器价格昂贵，线路比较复杂。在工业 生产中，运用最多的超声测量方法是传播速度差法和多普勒法。下文将对这 两种方法做一个详细的阐述啼，。 2 1 1 传播速度差法 传播速度差法是通过检测超声波在流体顺流和逆流传播时的速度差来反 映流速。根据所测物理量的不同，又可以分为时差法、相差法和频差法三种， 时差法是直接测量传播时间差，后两者分别是将时间差转变为相位差和频率 差来进行测量。 2 1 1 1时差法 用时差法对管道流量进行非接触测量时，夹装式超声波流量计的z 型的 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 安装方式如图2 1 所示。在管道两侧分别安装有两个超声波换能器，管道中 的流体的流速为v ，控制系统可以用一定形式的信号去驱动超声波传感器， 使得超声波在两个传感器之间传播。 图2 1 时差法原理图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i co ft i m ed i f f e r e n c em e t h o d 设顺流时超声波的传播时间为t j ，逆流时超声波的传播时间为t 2 ，则 d = 石e 瓦o s 丽o + c + v s m 。 d 乞= i c 丙o s l 万9 + c 一，s m 式中：d 为管道内径，c 为超声波在静止流体中的速度， 在声契和管壁中传播的时间及电路延迟时间之和，且设顺流、 相一致。 由于c 2 v 2 ，所以a t = f 2 一t 1 = 2 d v t g o c 2 。 从而 v ：二r v = 一f 2 d t g o d ：兰一x d 2 。 k4 式中：k 流速分布修正系数 测得时间差，即可通过流速求得流量。 ( 2 - 1 ) 为超声脉冲 逆流传播时的 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时差法本质是求两个数量级相对较大而数值相近的时间量之微差，提高 时差法测量精度的方法是提高系统测量时间的分辨率，只有选择一个合适的 时间测量方式才能有效地提高系统测量的精度，另一个必要条件则是精确的 确立超声波信号的发射和接收时刻。随着现代电子技术的发展，高精度计时 的电子器件有很大发展，启停时刻定位显得更为重要。超声流量测量中，发 射信号一般是由控制系统发送的，因此系统的计时起始时刻很容易确定，而 超声信号的到达时刻，则由于超声换能器的多次发射及外界的噪声干扰，确 定信号的到达时刻是比较困难的，这个也是时差法测量流量中的一个很关键 的课题 。 2 1 1 2 相差法 在时差法的测量中，最关键的地方是获得超声波到达的准确时间，因而 大多数情况下发射的是单个的超声波窄脉冲，接收以后经过信号整形处理后 的也是脉冲信号，而相位差法采用的是传感器发射和接收连续超声波或者周 期较多的脉冲序列，利用窗口信号让发射端和接收端能够获得稳定而且幅度 大小基本一致的超声波脉冲，从而根据顺逆流的超声波的相位差获得流体的 流速。如图2 2 所示为时差法和相差法的超声信号的比较。 _曩_ 一纛一 图2 - 2时差法和相差法的对比 fig 2 2c o m p a ris o no ft h etim e dif f e r e n c em e t h o da n dp h a s e - dif f e r e n c e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 相位差法将时间差转换为相位差来测量，避免了测量微小时间差带来的 困难，因而可以提高系统的测量精度，在早期的超声流量测量系统中普遍采 用这一方法。 2 1 1 3 频差法 ( 1 ) 普通频差法 频差法又称为“鸣环法，它的工作原理是发射换能器向被测流体中发射 声脉冲，接收器收到声脉冲并转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发 发射电路发射下一个声脉冲，即发射脉冲由前一个接收信号脉冲所触发，如 此周而复始，形成发射换能器一被测媒质一接收换能器一前级放大电路一触 发脉冲形成电路一发射换能器的闭合环路，产生鸣环方式出现的超声波脉冲。 脉冲在声环系统中的一个来回所需时间的倒数称为声环频率。假设顺流、逆 流情况下超声波的传播时间分别为t l 、t 2 ， 由频差a f = z 一六= l t 一班2 可得 因为容积流量 v = ( d s i n 2 0 ) ( 1 + z c c o s 8 d ) 2 ( 2 5 ) q = x ( d 2 ) 2 ( 2 6 ) 其中， = v k 为管道横截面平均速度；k 为流速修正系数。 最后得出流量的数学表达式 q = 桕3 ( 4 k s i n 2 0 ) ( 1 + t c c o s o l d ) 2 矽 ( 2 7 ) 通过测出顺、逆流的频率差即可得到流体的流量。 若测得f ，即可求得流速v ，流速方程中虽然包含有声速c ，但由于超 声波在非流体中的传播时间r 很小，所以声速变化所产生的误差的影响远小 于时差法与相差法，这是频差法的优点。鸣环法的缺点是响应慢，顺、逆回 鸣频率要轮流测，所以测量周期长。 由流量公式可见，影响测量流量精度的有k 、d 、r 、矽、c 和a f 六个 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 因素，测得流量q 的相对误差应为： 起| q = a q a k 涨| q + a o fa d b d q + a q a r 6 t | q + a q l a o 龃| q + 8 q o c 8 c q + a q 钞o y q ( 2 - 8 ) 通过分析上式的每一项，可得到提高频差法超声波流量计测量精度的途 径。 a q 粼b k q = 一承k a q o 7 ) o d q = ( 3 2 ( d z c c o s o + 1 ) ) o d d 0 q a t & q = 2 c c o s 0 ( d + z c c o s 0 ) & a q 6 0 8 0 q = - 2 ( c o t 2 0 + t a n o ( d z c e o s o + 1 ) ) 韶 a q a c a c q = 2 r c o s 0 ( d + z c e o s 0 ) 8 s 坦o a f 8 a f q = a a f a f ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 修改的途径可以包括以下几点： 增加温漂补偿电路：由于考虑到信号传输时存在附加时间t ，使流量 受到声速的影响，而声速是受温度影响的，也就是说，温度影响流量计的测 量误差。对测量小管径流量计r c c o s0 2 d 是不能忽略的。采用c p u 控制时 间的开始，可以消除这个误差的产生。 由流量的各个分量的误差公式，可以发现当增大管径d ，也即是增加 超声波在流体中的行程时，测量的相对误差减小，所以小管径超声波流量计 应当把换能器安装在管道的同一侧，即采用v 型法安装，可增加声程，提高 精度。 衡量各个分量误差对总体精度的影响时，应根据设计电路的不同及外 围环境的不同，必须选择误差的分配方式，优先解决引起最大误差的因素”。 ( 2 ) 锁相频差法 锁相环频差法的原理是：将超声波穿过管道内液体的传播时间t 转换为 倒数即回鸣频，然后采用锁相环技术控制压控制振荡器v c o ，使v c o 的频 率为回鸣频率的n 倍，以这样的方式构成闭环回路。具体来说就是由压控振 荡器出来的信号，一路经过计数器将其转换为时间，一路送入流体，这两路 的时间差产生的控制信号去控制控制压控振荡器，由此产生闭环回路，环路 稳定以后n f x t x = o ，由压控振荡器v c o 锁定环路频率，得到频率差，送入 控制系统计算出流量。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 3锁相频差法测量原理 fig 2 - 3 p rin cipieo fp h a s e l o c k e df r e q u e n c ydif f e r e n c em e a s u r e m e n t 锁相频差测量的是超声波传播的时间差，给出的却是n 倍频后的回鸣频 率差，它综合了时差法的响应快及回鸣法的测量方便、受声速影响小的优点， 并大大减小了管壁等延迟时间引入的声速变化误差，成为早期大管径超声波 流量计的主要方法b ，。 2 1 2多普勒法 超声波多普勒流量计是以物理学中多普勒效应为基础的。根据声学多普 勒效应，当声源、接收器即观察者和媒质之间有相对运动时，观察到的超声 波频率会与声源的发射频率有所不同，这个因相对运动而产生的频率变化与 两物体的相对速度成正比，这一现象称为多普勒效应。 在超声多普勒测量方法中，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，根据多普勒效应，接收到的反射 声波与发射声波之间会产生频率差，这个频率差就是由于流体中固体颗粒运 动而产生的多普勒频移。由于这个频差量正比于流体流速，所以测量该频差 就可以求得流速，进而求出流体流量。 由超声多普勒的测量原理可知，该法测量的基本条件就是：被测流体中 必须存在足够的、具有反射本领的悬浮颗粒或气泡，才能得到一定强度的信 号使仪表正常工作。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 - _ 一 图2 - 4超声多普勒的测量原理 fig 2 - 4 d o p pie rm e a s u r e m e n tp rin cipie 设超声波束与流体运动速度的夹角为q ，超声波传播速度为c ，流体中 悬浮粒子与流体流速相同，均为u ，如图2 4 ，当超声波从发射传感器入射到 流体中，在流体中碰到固体颗粒时，就会反射超声波，并且被超声波接收传 感器接收。根据多普勒效应可得到： v = 石一万= 石半 ( 2 - 1 5 ) 上式中乃、舀分别是超声波传感器的发射和接收频率。 由此频率差可以得到流体的流速和流量。 超声多普勒流量计除了具有非接触式流量计的一般特点外，其突出优点 是：对流速变化分辨率高，响应快，对流体的温度、密度、压力、粘度和导 电率诸因素不敏感，无零点漂移等问题。它的缺点在于：流量测量精度与很 多因素有关，例如超声波传感器的发射频率，流体中反射体颗粒的特点及管 道流体中流场的流速分布等，这些因素都影响着超声多普勒流量计的应用心“。 多普勒法已经在医疗仪器上得到了重要的应用，多普勒血液流速计现在 已成为非观血的，无侵袭的临床测量血流的重要手段。在工业领域中此法可 以测量各种污水、废水、污泥、泥浆、纸浆等，而且它还能用于许多恶劣环 境下，如高温、高浓度，甚至是强腐蚀的流体，这是很多其它流量计所不具 备的优点n m 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 2 超声波传感器 超声波传感器是超声波检测系统的重要组成部分，在利用超声波对流体 进行流量测量时，它与管道直接接触，用于在管道中产生和接收超声波，而 接收到的超声波信号的质量直接影响着超声波的测量方法。可以说超声波传 感器的性能直接影响着超声检测的性能和可靠性。， 2 2 1超声波传感器的物理原理 超声波传感器是实现电能和声能之间相互转换的一种器件。用于检测的 超声波传感器通常有多种，如压电型、电磁型、弹性表面波型等等。检测技 术中，大部分采用的是压电陶瓷超声波传感器，它是一种既可以把电能转化 为声能、又可以把声能转化为电能的装置，其工作机理是依据压电材料的正 逆压电效应。当发射超声波的时候，在压电材料上施加一定频率的电压信号， 该压电材料就会产生机械形变，向周围介质中产生疏密相间的机械波，此即 为逆压电效应。在接收超声波的时候，工作过程与发射超声波的机制相反， 是为压电效应。 根据超声波传感器结构的不同，可以分为直探头、斜探头、可变探头几 种。超声波流量检测中较为常用的换能器是压电式斜探头换能器。超声波传 感器的性能指标有工作频率、方向性，机电耦合系数、阻抗特性、功率、机 电品质因素等，在进行流量测量过程中，须根据测量的对象，测量环境和系 统所需要的测量精度，合理选择超声波传感器1 2 2 ) 。 在本课题的设计中，由于系统的测量对象为小管径低流速的流体，而且 系统的测量精度要求较高，系统所需要达到的时间差的分辨率必须在i 1 5 级别 以上，因此必须选用较高中心频率超声波传感器，因为中心频率高的超声波 传感器在进行时间校准时所带来的误差相对较小，为此我们选用斜探头超声 波传感器，传感器的外径2 0 m m ，内径为1 8 m m ，其发射角度为4 5 度，中心 频率为2 m h z 。 2 2 2 超声波传感器激励信号 超声检测是利用超声传感器的逆压电效应来产生超声波的，即将一定形 式的电压激励信号施加到传感器器上，传感器的压电晶片根据逆压电效应， 会产生机械振动，形成超声波发射出去。因此对传感器的激励方式直接决定 着接收端超声信号的稳定性和性噪比高低程度。如图2 5 所示是超声检测系 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 统经常采用的几种激励波形，尖顶脉冲和方波脉冲用的较多，而双极性调谐 脉冲和阶跃脉冲则用的较少。 图2 - 5 超声传感器的激励信号 f i g 2 - 5 u l t r a s o n i cs e n s o rs ti m u i u s 在采用脉冲作为驱动信号并且利用时差法来进行流量测量的时候，一般 采用的是单脉冲信号，而脉冲驱动信号的质量直接决定着接收信号的大小。 脉冲驱动信号最主要的性能参数是脉冲的宽度与幅度，这两个参数对缩小盲 区，提供测量精度有重要意义。根据频谱分析，脉冲信号是各种频率正弦波 的叠加，因而脉冲宽度与传感器的中心频率之间满足某种关系式时，在接收 传感器上获得的超声波信号最好。一方面，所发送的脉冲信号应该在传感器 的中心频率处最强；但另一个方面脉冲宽度显然不能过大，因为脉冲过大会 给接收传感器带来很大的噪音干扰，接收传感器无法识别出准确的超声波信 号。因此可以考虑中心频率对应的角频率取在偏离直流信号一定角频率的第 一个峰值3 丌2q 处，于是有： 2 矾= 芸 ( 2 - 1 6 ) 式中，而为传感器中心频率，2 口为脉冲宽度n ”。 由于超声波传感器的中心频率为2 m h z ，所以最终选用的脉冲宽度为 5 0 0 n s ，激励波形为单个的窄脉冲方波。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 。3 超声波传感器的安装方式 在传播速度差法的流量测量中，超声传感器的安装方式会影响超声流量 测量的测量精度和性能，通常对于单声道的超声波流量计来说，传感器的安 装方式一般有z 法、v 法、n 法、w 法等。此外，对于多声道的超声波流量 计，还有x 法、z v 法、平行法等。 单声道传感器几种常用的安装简图如图2 - 6 。 图2 - 6超声波传感器的安装方式 f i g 2 - 6 i n s t a ii a t i o no fu i t r a s o n i cs e n s o r 相比来说，v 法是采用比较多的典型安装方法，这种方法使用方便、测 量准确。该法既保证了波的传播方向又扩大了声程，是单声道超声波流量计 中比较流行的安装方式；利用z 法时，超声波在管道中直接传输，没有折射， 减小了传播过程中的声损失，但该法的超声波传播声程较短，传播时间因而 较小，因而限制了超声波流量计在小管径上的应用。n 法安装时，超声波束 在管道中折射两次穿过流体三次( 三个声程) ，适于测量小管道，该法延长了 超声波传输距离，因而能够提高系统的测量精度伸1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3影晌超声流量测量的主要因素 前面2 1 节所推导流体的流速公式，是在理想情况下得到的，而在实际 中影响超声波流量计测量性能的因素有很多，例如机械方面，与管道的几何 尺寸有关系；物理方面，与管道中流场的分布有关系；电子方面，则与传播 时间的测量方法有关。在各种因素中，超声流量计计算误差的修正主要是体 现在减小温瘦变化和流速分布不均产生的影响。 2 。3 1 温度对流速的影响 时差法测量的计算公式中含有声速c ，而温度的变化则会引起c 的变化， 例如对于流体水，2 0 度时超声波在水中传播速度为1 4 8 2 m s ，而5 0 度时的传 播速度为1 5 4 3 m s ，变化较大。为了消除温度对流量测量的影响，一种方法 是根据温度和流速之间的关系对获得的流量值进行修正，另一种方法是通过 改进的测量方法和算法，消除计算公式中的声速，从而简化流体传播速度的 计算。例如在一种改进的时差法中对2 1 节中的公式进行变形，可以减小温 度的影响。 d “：三凸：塑曼+ “ 取 气2 芋。半竹。 ( 2 - 1 7 ) d c ：璺q 墨旦 从而 ，o 一如 ( 2 1 8 ) 将这个式子代入流量的计算公式，得到流体的流速为 ( 2 1 9 ) 在这个公式中，将对超声声速的测量转化为超声波在顺流和逆流之下的 时间和的测量，减小了温度对声速的影响，而现代电子技术已经能够很准确 测量很微小的时间，因此通过这种改进时差法可以很明显提高系统的测量精 詹 厘o 2 3 2管道流体的流速分布规律 超声波流量计是通过连续测量流体的平均流速来计算出流体的流量大小 格 盎 = 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 的。但是由于管道截面上流速的分布不均匀，导致其流速大小按一定规律分 布，所以准确描述流速分布是保证流量测量精度的先决条件。 2 3 2 1层流和紊流及其速度分布 流体在管道中流动时，一般有层流和紊流两种流动状态。当流体流速较 低或管壁粘性较大时状态表现为层流流动，此时管内流体分层流动，各流层 基本上平行于管道内壁流动，不同层内的流体不相混合；当流速较高时或管 壁粘性较小时，流体质点呈现不规则的流动，流体的状态表现为紊流流动， 管内流体不再分层流动，管道流体除过轴向以外还有激烈的径向运动。 管内流动是层流还是紊流的判断依据是雷诺数r p ，可以用尺p 数值的大 小来判别流体流动情况。而r p 又取决于流体的流速、管径和流体的粘度等 因素。液体由层流向紊流转变的雷诺数为临界雷诺数r e c 为2 3 0 0 。当r e r e c 时，液体为紊流状态，此时流 体的惯性力起主导作用，粘性作用相对降低，流体质点动能增大。雷诺数在 临界雷诺数附近的一个小范围内时，流动具有间歇性，可能时而为层流，时 而为紊流。 管道流体速度分布规律可以用圆柱坐标( ，口，x ) 进行描述，当流动状态为 层流时，圆柱坐标及流体的速度分布如图2 7 所示。 图2 - 7圆柱坐标及流体的速度分布 fig 2 7c yiin d ric aic o o r din a t e sa n dv eio cit y