（机械电子工程专业论文）时差法超声波流量计设计与研发.pdf

摘要 超声波流量计是2 0 世纪7 0 年代随着i c 技术迅速发展而开始得到实际应用 的一种非接触式仪表 在测量液体领域 应用最广泛的测量方法是传播速度差 法中的时间差法 时差法超声波流量计是通过测量超声波信号在流体中顺流和 逆流传播时间之差来反映流体流速的 它具有运行稳定 非接触测量 计量准 确可靠 无压力损失 仪表的运算和显示精度较高 节约能源等特点 利用时差法测量液体的流量着重需要研究并解决的问题包括 1 为了得到 良好的超声波波形 进而获得准确的流动信号 需要对换能器及其外围电路进 行研究 超声波在液体中传播速度达到1 5 0 0 m s 左右 而传播路径却很短 要准确测量渡越时间需要对计时模块进行选择和研究 3 超声波信号传播过 程中受到流体的影响会产生一定的衰减和扭血 对变形的接收信号进行合理的 处理是必须解决的问题 4 对软件系统的研究 5 对实验方法和装置的研究 根据对问题和难点的分析和研究 本论文分六个章节逐步解决 各章内容 如下 论文第一章概述了流量计的发展历史 分类 现状 着重介绍了超声波流 量计的国内外研究状况 并最终确定本课题主要的研究内容一一测量液体流量 的时差法超声波流量计 论文第二章则从一次仪表和二次仪表方面分别具体介绍了时差法测量流量 的原理及影响测量的主要因素 进而确定了课题的难点和需要解决的问题 论文第三章重点介绍 次仪表部分的设计 主要研究超声波换能器的原理 结构及性能指标 进而对换能器进行选择和设计 论文第四章是整个课题的难点和关键 着重介绍二次仪表部分的设计 硬 件系统部分主要解决信号的处理和采集等问题 对信号的处理采用阈值检测和 过零检测的方法 实现对发射和接收信号有用信息的提取 对信号的采集 计 量采用高精度的计时模块 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 论文第五章通过实验验证整机的性能 首先是对样机的电路部分进行检测 确保换能器和电子线路的正常工作 软件程序的正常运行 就绪后进行样机实 验 在不同流量下测量流量数据 计算并确定重复性和线性度误差 验证精度 等级 并且根据实验结果进一步调整硬件及软件上的设计 最后 论文得出结论并且总结了课题研究中出现的问题 同时 提出一些 个人的建议和展望 关键词 超声波流量计 超声波换能器 时差法 过零检测 a b s t r a c t n o w a d a y s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f l ct e c h n o l o g y t h e r eh a sb e e nag r e a t d e a lo fi n t e r e s ti na p p l y i n gt h eu l t r a s o n i ct ot h ep r a c t i c a lf i e l do f f l o wm e a s u r e m e n t t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rb a s e do nt h et r a v e l o t i m e d i f f e r e n c em e t h o di st h em o s t w i d e l yu s e di nt h el i q u i d m e a s u r i n ga r e a d u et ot h ea c c u r a c y s t a b i l i t y n op r e s s u r e l o s e s w i d ef l o w r a t er a n g e n o n c o n t a c tm e a s u r i n g e a s yt of i x a n dl o wc o s t t h e u l t r a s o n i cf l o w m e t e rs h o wi t se x c e l l e n ta d v a n t a g e s w h i l eu s i n gt h et r a v e l t i m e d i f f e r e n c em e t h o dt om e a s u r i n gt h el i q u i d w eh a v e t od os o m er e s e a r c h e sa n ds o l v em a n yp r o b l e m s m o s t l yi n c l u d i n g a t h e c a p a b i l i t yo f t h e u l l r a s o n i ct r a n s d u c e ri st h ef o u n d a t i o no f t h ew h o l ed e s i g n i no r d e r t og e n e r a t eg o o du l t r a s o n i cs i g n a ls oa st oc a t c ht h ea c c u r a t el i q u i di n f o r m a t i o n w e n e e dt or e s e a r c ht h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s t h e v e l o c i t yo f t h eu l t r a s o n i cw a v et r a n s m i t t i n gi nt h el i q u i dc a n r e a c h1 5 0 0 m s s os o m e r e s e a r c h e so nt h em e t h o d so ft i m e c a l c u l a t i n gi sv e r yn e c e s s a r y c ae f f e c t i v e s i g n a lc o l l e c t i n ga n dd i s p o s i n gs y s t e mi si m p o r t a n t d r e s e a r c ho nt h es o f t w a r e s y s t e m e r e s e a r c h o nt h em e t h o d sa n de q u i p m e n tf o rt h ee x p e r i m e n t t h et h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s e a c hc h a p t e ri sg e n e r a l i z e db r i e f l ya s f o l l o w i n g t h ef i r s tc h a p t e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h ea c t u a l i t yo ft h e f l o w m e t e r s p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ep r e s e n ts t a t u so ft h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e r t h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e rb a s e do nt h et r a v e l t i m e d i f f e r e n c em e t h o di ss e l e c t e da s t h es u b j e c to f t h et h e s i s t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r i u c i p l eo ft h et r a v e l t i m e d i f f e r e n c e m e t h o di nd e t a i la n dp r e s e n t st h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ep r o c e s so f m e a s u r i n gs ot h a tw ec a nc o n f i r mt h ep r o b l e m sa n dt h ed i 艏c u l t i e s t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e ss o m ek n o w l e d g e so ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d b c e li n a d d i t i o n w ed os o m er e s e a r c h e so nt h ep r i n c i p l e t h es t r u c t u r ea n d t h ec a p a b i l i t yo f t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r w ea l s od os o m eb r i e f l yd e s i g n so f i t n ef o u r t hc h a p t e ri st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et h e s i s i nt h ep a r to ft h e d e s i g no fh a r d w a r es y s t e m t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h e z e l o c r o s s d e t e c t i o nf o rc o l l e c t i n gt h eu s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt h er e c e i v e ds i pa n d i n t r o d u c e st h et i m e c a l c u l a t i n gc h i p i nt h es o f t w a r ep a r t s o m ef u n c t i o n sc a r r i e do u t b yt h es o f f w a r ea 碍i n t r o d u c e d i nt h ef i f t hc h a p t e r w ed om a n ye f f e c t i v ee x p e r i m e n t st ot e s tt h ec a p a b i l i t yo f t h ef l o w m e t e r a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s w ec a nd os o m e f u r t h e ri m p r o v e m e n t sa n dr e s e a r c h e s f i n a l l y t h i st h e s i sp r e s e n t sc o n c l u s i o n s p r o s p e c t s a n ds o m ep r o b l e m sw h i c h h a v en o ts o l v e dy e t i na d d i t i o n s o m ep e r s o n a ls u g g e s t i o n sa n dp r o p o s a l s a r e a d v a n c e df o r t h ef u r t h e rr e s e a r c h e sa n di m p r o v e m e n t s 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 u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r t r a v e l t i m e d i f f e r e n c e m e t h o d z e r o c r o s sd e t e c t i o n 学号醴墨丝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 耋勇 签字日期 多 厂年 月 日 学位论文作者签名 霞碧 签字日期 多 年g 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和 借阅 本人授权迸婆盘翌可以将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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 善秀 签字日期 力移 年 月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 流量计的发展历史和现状 数千年前 人们为了适应农业灌溉和水利的需要 就已经开始关注流量测 量问题 古埃及就已经出现了堰的雏形 而我国的都江堰在当时也已经知道利 用宝瓶口岩壁上所刻 水则 束观察水位 以实现对水位的控制i l i 在现代工业领域 一般把温度 压力 流量认为是工业自动化领域的三大 检测参数 流量测量仪表是工业自动化仪表和装置中的大类仪表之一 在化工 冶金 石油输送 天然气输送 民用水表 民用燃气等方面有广泛的应用 是 发展工农业生产 节约能源 改进产品质量 提高经济效益和管理水平的重要 工具 无论在商业贸易和工业生产中 对流体流量计量的需求都在不断增长l z l 流量计的发展已经有几百年的时间 早在1 7 3 8 年 瑞士人丹尼尔 伯努利以 伯努利方程为基础 利用差压法测量水流量 后来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 1 8 8 6 年 美国人赫谢尔用文丘 里管制成测量水流量的实用装置 2 0 世纪初期到中期 原有的测量原理逐渐成 熟 人们开始探索新的测量原理 自1 9 1 0 年起 美国开始研制测量明沟中水流 量的槽式流量计 1 9 2 2 年 帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽 1 9 1 l 一 1 9 1 2 年 美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论 3 0 年代 又出现了探讨用 声波测量液体和气体的流速的方法 但到第二次世界大战为止未获很大进展 直到1 9 5 5 年才有应用声循环法的马克森流量计 用于测量航空燃料的流量 1 9 4 5 年 科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况 由于经济生产落后 直n 十世纪5 0 年代 工业中使用的主要流量计也只有孔板 皮托管 浮子流 量计三种 二十世纪6 0 年代以后 测量仪表开始向精密化 小型化等方向发展 此外 具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在7 0 年代问 世 随着集成电路技术的迅速发展 具有锁相环路技术的超声波流量计也得到 了普遍应用 微型计算机的广泛应用 进一步提高了流量测量的能力 如激光 多普勒流速计应用微型计算机后 可处理较为复杂的信号 4 1 1 5 l 近3 0 年来 先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计 容积流量计 动量式流量计 电磁流量计 超声波流量计等几十种新型流量计 目前国外投 入使用的流量计有1 0 0 多种 国内定型投产的也有5 0 多种 随着工业生产的自 动化 管道化的发展 流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚 早期所需的流量仪表均从国外 浙江大学硕士学位论文 进口 直到2 0 世纪3 0 年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表 5 0 年代有了新成仪表厂 i 海仪表厂前身 所开发的文丘里管流量计 6 0 年代开 始涡轮 电磁流量计的生产 至今 我国已形成一个相当规模从事流量测量技 术与仪表研究开发和生产的产业 从事流量仪表研究和生产的单位超过3 0 0 家 但是我国现有产品的品种 规格 精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求 一些新型的流量计 如涡街流量计 旋进旋涡流量计 射流流量计等的技术水 平与国际先进水平有较大的差距 超声波流量计的研究与开发还处于起步阶段 形成了低档产品过剩 高档产品依赖进口的局面 随着国内市场的国际化和 w t o 的加入 我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战 因此 开展高性能 流量仪表的研究 开发及产业化 对促进我国流量仪表工业的发展 增强产品 的国际竞争力 具有十分重要的意义1 5 1 1 6 1 1 1 2 1 1 7 i 1 2 流量计的分类及特点 在i s a 美国仪器学会 5 1 1 1 9 7 6 文件中给出的流量计定义是目前唯一 可以利用的标准定义 在i s a 5 1 1 中给出的定义如下1 9 1 流量计一一在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的仪 表 它通常包括一个一次装置和一个二次仪表 流量计的一次装置一一安装在流体管道内部或外部的一种装置 它根据有 关流体与存在的一次装置相互作用关系的已知物理定律 产生一种与流体流量 有明确关系的信号 流量计的二次仪表一一能对一次装置发来的信号作出反映 并将它转换能 说明流量或总量的显示信号或输出信号的仪表 流量计的分类可以大体按照测量原理和结构原理来划分 l 哪 根据的测量原理分类 力学原理 属于此类原理的仪表有利用伯努利定理 的差压式 转予式 利用动量定理的冲量式 可动管式等 电学原理 应用此 类原理的仪表有电磁式 差动电容式 电感式 应变电阻式等 声学原理 利 用声学原理进行流量测量的有超声波式 声学式 冲击波式 等 热学原理 利 用热学原理测量流量的有热量式 直接量热式 间接量热式等 光学原理 激 光式 光电式等是属于此类原理的仪表 物理原理 核磁共振式 核幅射式等 是属于此类原理的仪表 另外 还有基于其它原理的 如有标记原理 示踪原理 核磁共振原理 相关原理等 根据结构原理分类 分为容积式流量计 叶轮式流量计 差压式流量计 变面积式流量计 等压降式流量计 浙江大学硕士学位论文 以下具体介绍目前应用比较广泛和发展前景较好的几种流量计 容积式流量计结构比较简单 适用于测量高粘度 低雷诺数的流体 速度式 流量计根据流体的一元流动连续方程 以测量流体在管道内截面上的平均流速 v 作为测量依据来计算流量 如节流式流量计 转子流量计 涡轮流量计等 由于这种方法是利用平均流速计算流量 所以管路条件的影响很大 如雷诺数 涡流及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差 但是这种测量方法有较 宽的使用条件 可用于高温 高压流体的测量 有的仪器还可适用于对脏污介 质流体的测量 其测量精度能满足要求 能量损失较小 因此目前在工业上获 得了广泛使用 质量流量计分直接式和推导式两类 直接式流量计是由检测元件直接反映 质量流量的仪表 目前生产中常用的是热式质量流量计 直接式质量流量计由 于受原理和结构上的限制 目前虽然有多种类型 但在工业上都未得到广泛的 应用 科里奥利流量计是真正的质量流量计 它有极高的精度 但同时有不可 忽视的压力损失 并且其测量会受流体的压力和温度的影响 因此 这种极有 前途的流量计在天然气工业中得不到广泛使用 鉴于科里奥利流量计在计量方 面显著优点 在不久的将来一定会大有发展 电磁流量计是6 0 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的一种新型流量 测量仪表 它是应用电磁感应原理测出导管中导电液体的平均流速 由于具有 压力损失小 使用寿命长 测量范围宽 可进行双向流的流量测量 对仪表前 后直管段要求不高等特点 目前已广泛应用于各种工业导电液体 如酸碱盐 的 流量的测量和脉动流的测量 流体振动型流量计包括涡街流量计和旋进旋涡流量计 与涡轮流量计比较 其较小的内部构件使压力损失降低 而且它对上 下游直管道长度的要求较时 差式超声波流量计小 故在很多场合得到广泛利用 缺点就在于外界产生的振 动信号对其测量信号有一定的影响 对于低速流动的流体由于产生的流体振动 信号强度不足 而使得测量下限难以获得突破 其中涡街流量计是最有前途的 流体振动流量计嘟i 超声流量计是由超声波换能器将电能转换为超声波能量 并将其发射到被 测流体中 被接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号 这样就 可以实现流量的检测和显示 超声波流量计内部没有活动部件和障碍物 因此 带来的管道压力损失基本可以不用考虑 由于测量的对象信号属于电信号 在 现有的电子技术以及微机计算能力 信号检测技术飞速发展的条件下 可以获 得很高的测量精度和测量范围 超声波流量计的计量精度主要限制在其获取的 信号属于间接信号 需要经过各种换算之后才能推导出最终的流动速度和流量 浙江大学硕士学位论文 其采用的流动模型准确程度决定了整个测量精度的高低 捌 另外 一些更为传统的流量计如 孔板流量计 喷嘴流量计以及文丘里流 量计目前也占有一定的市场 其共同的特点就是压力损失较大 并且测量范围 很小 测量上限和下限的比一般在4 l 左右i 1 1 1 2 i 一些典型的流量计的特点如表1 1 所示 表1 1 各类流量计性能比较 项目孔板涡街涡轮电磁超声波 精确度 l 1 1 o 5 o 5 量程比 3 l3 0 12 0 l1 0 0 13 0 0 1 管径范围 m m 5 0 8 0 05 0 3 0 0 1 0 5 0 02 3 0 0 02 5 1 6 0 0 压损很大较小较小较小无 对涡流的敏感很敏感很敏感较敏感较敏感不敏感 对流速分布的敏 很敏感很敏感较敏感不敏感不敏感 感 测脉动流不适合不适合不适合较适合适合 测双向流不能不能不能可以可以 潮湿气体不能不能不能不可以可以 清洗管路不能不能不能可以可以 1 3 流量计的发展趋势及其应用 近5 0 年来开发了许多新型测量原理的流量测量方法和仪表 从而应用领域 有很大扩展 进入许多过去的禁区 如可以不对管道作任何改动就可作非接触 测量 过去某些流量仪表用来测量某些特殊对象的流量时 感到很困难 如今 因技术上有所突破而变得容易 一 环保业应用展望 我国工业污水排放计量的明渠污水流量仪表 8 0 年代中期各制造厂已相继 开发 1 9 8 7 年开始国家环保局开展调查考评l o 余家制造厂所提供的商品 经 两年余实验室和现场考评 国家环保局认为明渠污水流量仪表立足于国内是可 能的 l o 多年后的今天仪表性能更趋完善 品种增多 在国家环境保护政策推 动下 环保业对流量仪表需求增加颇快 二 成熟仪表应用的扩展 针对经典或新颖仪表在某一领域应用受到的限制 经局部适应性改进 且 浙江大学硕士学位论文 技术上有所突破而使得在该领域应用有迅速的发展 l 适用于天然气存储交接 c u s t o d yt r a n s f e r 计量的超声流量计 由于超声波在固体与气体界面上的传播效率低 管道外夹装超声换能器难 以从管壁传送足够的声能 因此目前还没有外夹装式气体超声流量计 气体用 超声流量计商品始于8 0 年代初 大部分由测量短管和插入管壁换能器组成一体 的形式出现 由于测量精度较低 1 5 2 f s 过去未能在价格昂贵的天然 气贸易结算计量领域取得一席之地 近年则出现多种型号精度较高的气体超声 流量计i j 2 1 2 非满管电磁流量计 非满管电磁流量计的问世 使非满管圆形管的测量误差从传统槽式流量仪 表的3 5 f s 降低到1 2 f s 自1 9 9 2 年f i s c h e r p o r t e r 公司首家向人们 展示非满管电磁流量计以来 迄今共有4 家制造厂的4 种型号仪表推向市场 口径范围为1 5 0 1 0 0 0 m m 3 低电导率电磁流量计 低电导率电磁流量计的电极不与被测液体接触 大面积电极紧贴衬里外壁 以电容耦合方式检测流量信号 可测量比传统仪表低2 3 个数量级 即可测电 导率 5 x1 0 s s c m 的液体 例如纯水 液氨 不是氨水 甘油 乙二醇等 以前不能测量或测量困难的液体 国外产品也有称之为无电极电磁流量计者 1 1 4 1 三 流量传感器的多参数测量 流量检测元件或流量传感元件 s e n s o r 除感受流量外 还可能感受其他变 量 并由此衍生其他功能 可简化流程的检测系统 减少仪表数量和连接管线 降低费用 流程管道开孔的减少降低潜在泄漏故障 电磁流量计 非满管电磁流量计在测量平均流速的同时还必须测量管内液 体高度 涡街流量计 涡街流量计旋涡发生体分离的旋涡频率正比于流速 超 声流量计 超声质量流量计试图在传播时间法超声体积流量计的基础上 在利 用超声测得第二参量液体声阻抗和密度 演算后得质量流量田i 四 压式仪表的差压发生体和差压变压变送器一体化 将差压变送器直接与喷嘴等节流装置或均速管装在一起 省略了在现场布 引压管线工程 改善动态特性 减少维护工作和故障率 降低初置费用和运行 费用 据日本对1 9 9 6 1 9 9 7 年间新建四家工厂的调查 所用近4 0 0 台差压式流 量仪表中 一体化直接安装型仪表己占三分之一 浙江大学硕士学位论文 五 开发普及型仪表 适度降低测量精确度等性能 取消原为通用功能改为选择功能以简化仪表 组成 设计成较窄应用范围的仪表 从而降低价格扩大用户面 科里奥利质量流量计设计普及型 科里奥利质量流量降低精确度 量程误 差3 a o 2 左右降低到士o 5 功能减少 实际普及型仪表 电磁流量计从流程工业转向居住民用领域 降低电磁流量计测量精确度等 性能 如基本误差定位在士2 设计成具有水表特点的电磁水表 在日本这类 电磁式水表己纳入日本水表标准 超声家用燃气表 国外民用计量天然气价格低廉的超声流量计以形成规模 生产 平均价格约为流程工业用超声流量计平均价格的1 3 0 七 流量计量技术的发展趋势 目前用户对流量计的计量精度 稳定性等不断提出新的要求 流量计量技 术本身为了迎合这种发展趋势 也呈现出一些新的动向 l 结合多种测量原理的复合型流量计逐渐出现 基于单一原理的流量计必然都有特定的缺陷 使用复合原理的流量计可以 克服原先的部分缺陷 在性能上出现改进 例如电磁 超声和涡街流量计的结 合 涡街流量计使用压电传感器测量流体振动信号 容易受到外界振动信号干 扰 使用电磁或者是超声来检测漩涡发生体后步产生的涡街序列获得的信号质 量可以部分排除外界的干扰 另外 还可以利用电磁或者超声信号向下拓展测 量下限 除此之外 单一仪表输出多组数据已经成为一种趋势 通过内置多种 传感设备 有的仪表已经可以一次输出流速 温度 压力等多组数据 并提供 综合换算之后的体积或者质量流量 2 新技术为流量计的使用开拓了新的使用领域 使用电磁 核技术 激光 超声等作为测量媒介的新型流量计逐渐进入测 量领域 流量计的设计也开始向非接触式 无活动部件等方向发展 电子化和 数字化也成为一种趋势 并且在性能上新型流量计普遍具有测量精度高 量程 比宽 线性度较好 可靠性以及易维护性都较高等特点 并且这类新技术仪表 主要是依靠二次仪表进行工作 这为仪表的小型化 微型化提供了便利i 3 检定技术 流量仪表出厂前和使用一段时期后均要作流量校验 以保证量值的准确 传统使用的湿式校验一般采取实流检测对比或者是模拟同类型的标准量进行 需要消耗较多的人力物力 通过对与被测量有因数关系的其它量进行测量以得 到被测量的方法 就是一种间接测量法 有时亦称于式校验 如节流式差压流 浙江大学硕士学位论文 量计采取检验节流装置的几何尺寸及与流体有关的参数计算得流量值等 目前 对于大多数的仪表仍然是采用湿式校验 但是由于流量检测及其对装置要求的 特点 如装置的容量和管径 介质物理特性和工作状态等都要求适合仪表的工 作要求 这就为校验装置的建立提出很高的要求 特别是在大流量 大管径或 者高压高温等工况条件 设计这样的装置技术难度高 耗费也很大 因此实流 检测的适用范围也有限 目前干式检验正在逐步获得推广和应用1 3 0 1 p l i 1 4 超声波流量计概述 1 4 1 超声波流量计的发展与国内外现状 超声波流量计研究已经有近8 0 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 应用超声波原理测量流量开始 1 9 3 1 年r u t t e n 发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献 在1 9 5 7 年左右g r o s s o 作了关于超声流量计发展的一些评述 2 0 世纪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 但是商品化未获成功p q 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从 研究阶段进入了应用阶段 前苏联在这方面的研究是独立进行的 其第一台超 声波流量计出现在1 9 5 6 年 设计师是z m s h a f r a n o v s k a i a 1 9 5 7 1 9 5 9 年问 n i b r a h z i k o v 和g t i b i r g e r 也进行了这方面的工作p g l 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 开始进入应用阶 段 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 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 才实现了真正的高精度气体流量计量 1 9 8 4 年英国煤气 公司 b r i s i t i s ho a s 委托美国丹尼尔 d a n n i e l 公司研制用于燃气测量的超声流量 计 1 9 9 4 年9 月前 该公司已向北美及欧洲供应了8 0 台四声道气体超声流量 计1 2 8 l 德国k r o h n e 公司的a l l o s o n i cg f m7 0 0 型系平行双声道z 法 即一侧 换能器斜方向发射声波到对面一侧换能器接收 布置于弦位置上 测量误差为 4 2 r 口径范围5 0 8 0 0 m m 它对上游直管段长度要求较低 z 法约为单声 道的1 2 1 4 德国e l s t e rh a n d e l 公司的u s m 型是双声v 法反射 其特点是发射换能器 发射声束散射至对面一侧换能器接收布置于弦位置上 测量误差为4 2 r 上 浙江大学硕十学位论文 游直管段长度要求很低 仅需3 倍管径长度 下游仅需2 倍 日本奥巴尔公司1 9 9 7 年有上海展示的p o s o n i c 1 型系单声道v 法 u p 发射 声波经对面管壁反射到同侧另一换能器接收 传播方式 经雷诺数修正后的测量 误差为 i r 口径范围为5 0 2 5 0 m m 据估计 9 0 年代初期日本 美国 西欧超声波流量计的销售金额占流量仪 表的4 9 9 0 年代中期全球的产量估计为3 5 0 0 0 台左右 当i j 国外超声波 流量计制造厂有6 0 家以上 但一般限于液体流量的测量 在国际上能将超声波 技术成功应用于测气体流量 并推出产品且占有一定市场的 估计不超过l o 家 处于领先地位的有荷兰l n s t r o r m e 公司 美国的d a n n i e l 公司 c o n t r o l o t r o n 公司 德国的k r o h n e 公司 仅l n s t r o m e t 公司的产品就已售到二十几个国家近 1 0 0 个部门 此外 国外许多大公司及研究机构都相继对气体超声流量计进行 了应用研究和经济分析 例如法国g a z d e 德国r u h r g e s 和荷兰g a s u n i e 等公司 美国西南研究院等1 船1 我国的超声波流量计起步较晚 6 0 年代 7 0 年代机械工业部上海自动仪表 研究所 北京大学都曾经研制过 8 0 年代中期曾经引进过专有技术 但是总的 情况并不如涡街流量计等发展迅速 市场基本为国外产品占据 8 0 年代 由科 学院合肥分院与四川石油设计院联合研制气体超声波流量计 在1 9 8 6 年曾进行 了样机实验 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 的国家计量捡 定规程 包括超声流量计 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 的部门计量捡定规程 这是我国超声流量计发展的一个标志 本溪无线电一厂也曾开发推出了c q j 1 a 型气体超声波流量计 但至今还 未成功地应用现场 唐山汇中仪表有限公司国内研制成功数字化超声流量计 目前正致力于煤气超声波流量计的研制 国内生产超声波流量计的厂家有 开 封仪表厂 本溪无线电厂 唐山大方电子技术开发有限公司 长沙电子仪器二 厂 水电部南京自动化所 北京大学无线电系 唐山汇中仪表有限公司 唐山 美伦仪表有限公司等i i 到目前为止 国内只刚刚开始进行气体超声流量计技术的研究工作 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已经进行了几年的技 术探索和研究开发工作 并已取得一些进展 还未有技术性突破 但通过大量 的研究和实验 已取得了一些经验 由于在国内 还没有气体超声流量计的成 型产品 而国外已有4 家进入具有巨大潜力的中国市场 竞争十分激烈 他们 分别是 i n s t r o r m e t 公司 d a n n i e l 公司 c o n t r o l o t r o n 公司 挪威k o n g s b e r g 公 司 荷兰i n s t r o m e t 公司的产品已获得我国计量监督部门的形式批准证书l 堋 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 超声波流量计的特点 超声波流量计是2 0 世纪7 0 年代随着i c 技术迅速发展才开始得到实际应用 的一种非接触式仪表 相对于传统的流量计而言 基于超声波进行检测的流量 计主要特点是l i 1 解决了大管径 大流量以及明渠 暗渠测量困难的问题 因为一般流量 计随着管径的增大会带来制造和运输上的困难 有不少流量计只适用于圆形管 道 而且造价提高 能耗加大 安装不便 这些问题 超声波流量计均可避免 提高了流量仪表的性价比 2 内部没有任何运动部件和阻流器件 因此对流体输送几乎不会产生任 何压力损失 其内部也不会因为压降产生 汽蚀 现象 原理上不会受到大流 量测量上限的限制 仪表范围度宽 3 测量介质方面 除了要保证超声波能够传播之外 其他没有特殊的要求 超声波流量计不仅可以测量液体 气体的流量 甚至双相介质 主要应用多普 勒法 的流体流量也可以测量 由于利用超声波测量原理可制成非接触式流量 仪表 所以可以不破坏流体的流场 没有压力损失 并且可解决其他类型流量 计所难以测量的强腐蚀性 非导电性 放射性的流体测量问题 4 超声波流量计的测量原理是长度和时间两个基本量的结合 其量值导 出源的溯源性极好 有可能据此建立流量基准 5 一次仪表结构简单 主要的工作集中在二次仪表的电路设计以及算法 实现上 从而降低了对机械制造以及加工的要求 6 感测元件结构简单 没有转动部件 便于进行维护 适用于工业测量 7 在仪表前后需要设置导直管段 由于超声波流量计本质上测量的是超 声传播路径上的平均流速 因此任何测量截面上的速度分布扰动都可能对量值 产生影响 设置导直管段可以减小速度分布的歧变程度 8 对管径的适应能力强 根据超声波流量计的原理 只要超声波的衰减 不至于影响接收 那么都可以适用 因此在大口径以及超大口径的场合超声波 流量计几乎已经成了唯一的选择 特别是在大型的上水给水工程 应用较多 但是超声波流量计本身也具有一些缺点 传感器工艺要求高 而且传感器 的安装直接影响到计量的准确度 因此对安装和制造工艺的要求十分严格 抗 干扰性较差 对安装地点环境要求较高 管道口径小时 价格相对较高等等 浙江大学硕士学位论文 1 4 3 超声波流量计的测量原理 超声波流量计属于超声应用的一种 主要是基于声速测量技术 超声波在 流动的流体中传播时 就载上流体的流速信息 因此通过检测接收到的超声波 信号就可以间接测量出流体的流速 进而换算成流量 根据对信号检测的原理 目前超声波流量计大致可分传播速度差法 包括 直接时差法 时差法 相位差法 频差法 波束偏移法 多普勒法 相关法 空间滤波法及噪声法等类型 其中以噪声法原理及结构最简单 便于测量和携 带 价格便宜但准确度较低 适于在流量测量准确度要求不高的场合使用 由 于直接时差法 时差法 频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉 冲在流体中顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的 故又统称为传播 速度差法 其中频差法和时差法克服了声速因流体温度变化而带来的误差 准 确度较高 所以被广泛采用 按声道的布置方式 传播速度差法又分为 v 法 反射法 x 法 交叉法 z 法 透过法 如图1 1 所示 茴暂自 v 法 反射法 x 法 交叉法 z 法 透过法 图卜1 传播速度差法的三种基本卢道布置方式 其他的测量方法中 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 在微处理机普及应用后 这个缺点可以克服 噪 声法是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理 通过检测 噪声来表示流速或流量值 其方法简单 设备价格便宜 但准确度低 这几种 测量方法的声道布置方式如图1 2 所示1 2 0 i i 丝i i 柚i 这些方法中应用最广泛的是传播速度差法和多普勒法 浙江大学硕士学位论文 卤窜 多普勒法波束偏移法 酋自 相关法 噪声法 图1 2 其他的超声测量方法 本课题采用的是传播速度差法中的时间差法 后面的章节将会有更详细的 介绍 1 5 课题的选题依据及研究意义 本课题源于浙江天信仪表有限公司的横向课题 主要针对当前国产流量计 精度不高和重复性差等问题 超声波用于液体的流速测量有许多优点 和传统 的机械式流量仪表 电磁式流量仪表相比 它具有运行稳定 计量精度高 对 管径的适应性强 非接触测量 安装方便 计量准确可靠 无压力损失 节约 能源 电子线路的集成程度高 仪表的运算和显示精度较高 易于数字化管理 等特点 近年来 由于电子技术的迅速发展 电子元器件的成本大幅度下降 使得 超声波流量仪表的制造成本大大降低 超声波流量计也开始普及起来 将超声 波技术应用于流体流量的测量已经日渐被国内很多科研机构及厂家所重视 目 前是一个很好的发展契机 所以研究超声波计量技术是有很深远的意义和良好 的发展前景的 1 6 课题研究内容 本课题主要设计并研发基于时差法的超声波液体流量计 主要包括一次仪 浙江大学硕士学位论文 表和二次仪表的设计 一次仪表设计主要是实现超声信号的良好激发 传播和 接收 便于测量 使仪表达到一定的测量精度 这些问题主要和超声波换能器 的性能和声道的布置有关 二次仪表部分主要从硬件和软件两方面进行设计 实现对流体流量的精确测量 显示和数据通讯等功能 本课题具体研究和设计内容可以大体概括为以下几点 一 一次仪表设计 1 1 1 1 流量计壳体及管段设计 主要是要求声道布置合理 利于信号的传播和 接收 该部分由我们提供尺寸参数 指定专门的流量计厂家加工完成 1 2 1 超声波换能器的选择与设计 换能器的性能好坏直接影响流量计量的准 确度 好的换能器对整机的性能至关重要 因此课题需要对超声波换能器做比 较详细的研究 二 二次仪表设计 1 1 1 硬件电路设计 超声波液体流量计设计的关键和核心在二次仪表部分 信号的采集 处理 检测等关键环节都在二次仪表部分 超声波流量计的测量 线路比一般的流量计复杂 必须在集成电路技术发展到一定程度的才能达到性 能要求 因此电路部分设计是课题重点要解决的问题 1 2 1 软件设计 对硬件采集到的数据的处理 计算 显示以及用户和厂家与 仪表的人机交互界面设计等都由软件部分完成 因此设计良好的软件系统对整 台仪表的完善性和合理性起到重要作用 三 样机标定及实验设备 检定方法的研究 样机性能是否能达到项目的要求 需要通过正规的实验验证 所以对仪表 行业标准的检定流程 实验方法和标定装置的研究也是必不可少的 本课题主要研究内容如上所述 具体内容会在后面章节中有详细介绍 本章小结 本章节主要概述了流量计的发展和现状 着重介绍了超声波流量计的概况 简单叙述了超声波流量计的特点和原理 提出了课题所要研究的超声波流量计 的测量方法一一时差法 并阐明了选题依据 主要研究内容以及研究的意义 总体概括了后面章节的内容 浙江大学硕十学位论文 第二章时差法超声波流量计 2 1 时差法测量原理及影响测量的主要因素 2 1 1 时差法测流量的测量原理及主要特点 本论文研究的是基于时差法的超声波液体流量计 其管段内部结构简化图 如图2 1 所示 换能器1 2 相对于管道轴线的安装角是b 管径为d 两个换 能器之间的距离为l 流体流动方向如图所示1 4 1 i 4 9 1 流动方向 图2 1 时差法测量流量原理图 当流体以速度u 流动时 超声波的实际传播速度c 是声速伽和流体在声道 方向上的速度分量u c o s o 的叠加 即 c u c o s o 2 1 超声波信号在流体中顺流和逆流的传播时间分别为 嘧2 2 南2 而而d 厕 白 一 2 丽l2 蕊啄d 厕 2 3 式中 d 为一次装置管内径 l 为两个换能器之间的距离 c o 为超声波在静止 介质中传播速度 浙江大学硕士学位论文 故 a t t 遵一t 曛 芎畏百 i 2 i d i u 二c