改进超声波流量计的测量方法.doc

改进超声波流量计的测量方法2012-6-15 12:32:12 来源：计测网通讯员 点击率： 4506 字号: 戴康(武汉化工学院,武汉市,430074)摘要为了提高超声流量计的测量精度,对它的测量原理及计数方法提出了改进意见,并进行了误差分析。最后给出了实践电路。关键词:超声波流量计参量代换补偿脉冲计数1测量原理的改进1.1误差产生原因超声波流量计的时差法测量原理如图1所示。设超声波在静止流体中的传播速度为c、流体的流速为v,传播距离为L,流体流动方向与超声波传播方向的夹角为。则超声波在流体顺流时的传播时间为t1,在逆流时的传播时间为t2,可以写为 虽然在算式中存在t与v之间的正比关系,但同时又包含了产生测量误差声速c的内容。1.2消除方法为了消除声速c引起的误差,可以采用参量代换补偿法。参量代换补偿法的要点是 由于是一个常数,而式中已不再存在声速c的内容,于是保证了B与v之间的线性关系,消除了声速的影响。只要测量t1和t2,通过计算得到B也就得到了流速的v值,因而提高了测量精度。2脉冲计数测时方法的改进21误差产生原因超声波在流体中的传播时间t,一般采用脉冲计数方法进行测量。如果采用周期为的脉冲进行计数,而得到的计数值为nm,因此t可以写成: 用全微分的方法求得时间t的测量误差式: 算式表明误差分成两个部份,n m dT m是频率不稳定引起的误差。而T mdn m则是由计数误差所引起的。由于dn m=1,称为1计数误差,该误差是一般测时方法的主要误差。因此它不适宜用于测量精度要求高的场合。2.2消除方法为了消除1计数误差,可以采用游标式测时方法。游标式测时方法,工作原理如图2所示。设超声波探头(1)发射超声波的时刻为tm时刻,而对方超声波探头(2)接受到超声波的时刻为t n。游标式测时方法的工作过程为:在t m时刻,由振荡器(1)产生频率为f m的脉冲序列,除送至计数器C m进行计数,并送至相位检测电路。在t n时刻,由振荡器(2)产生频率为f n的脉冲序列,送至计数器C n进行计数,也送至相位检测电路。当相位检测电路发现两个脉冲序列的相位重合式变相时,立即记录两个计数器的计数值n m和n n,显然超声波的传播时间t可以写为: 式中,说明T由两个频率的周期决定(T mT n)。由于T是n n计数的最小单位,因此它是游标式测时方法的分辨率,并可定义为R。显然这里的R值与一般测时方法的1计数误差相比,是显著的减小了。例如:当频率f n=10KHz的脉冲序列,用于一般测时方法,对应的1计数误差为10 - 4 S,而增加一组频率为f n=10.1KHz的脉冲序列,用于游标式测时方法,所得到的分辨率R值为10-6 S。两者相比缩小了100倍。改进超声波流量计的测量方法2012-6-15 12:32:12 来源：计测网通讯员 点击率： 4507 字号: 3速度测量误差由于频率不稳定度可以做到10-7。因此在游标式测时法中,所产生的分辨率R,仍是决定时间测量的主要误差。因此可以通过下式求得时间误差对速度误差的影响 假定t 1=t 2=t,即在静止流体中,并因t R。所以:由式可以得到以下结论:(1)时间分辨率R与速度相对误差之间具有正比关系。由于游标式测时法的分辨率R值大大低于一般测时法的1计数误差,因此使超声波流量计的测量精度得到明显提高。(2)在相等的值条件下,分辨率R与传播时间t之间可以同步变小。由于R的大大变小,使相应的t也可以变小,其结果是超声波流量计可以适用于小管道的流量测量。例如:假定R=10-7 S,t=210-5 S,对应的=1%,在测量液体,并=30的情况下,管道直径约为7mm左右。(3)代入不同的R及t值后,可以得到不同的值,并用图3表示。由于VV与t之间的反比关系,在图3中,在t的逐渐增大情况下,将逐渐趋于平缓。显然在采用游标式测时法后,因R值的大大变小,而使平缓的区域能进一步扩大。例如:在R=0.04s时,t100s的值趋于常数,这个特性对仪表的实际使用是十分有利的。 总之,由于采用游标式测时方法,固减小了分辨率R值,使超声波流量计性能变得更为优越。4实践电路实践电路由8031单片机及其外围器件共同组成,如图4所示 在8031的P13口控制下使外围器件复位,它的P11口使一对超声波探头轮流处于发射或接受状态。当LM1812的P口处于高电平时,探头处于发射状态。采用两个74123组成两个振荡器分别产生频率为fm及fn的两组脉冲序列。脉冲计数任务由8031的T 0、T 1计数器担任。在8031的P11口为高电平时,使LM-1812(1)处于发射状态,LM-1812(2)为接受状态。然后通过P12口触发74121单稳,使LM-1812(1)发射超声波。同时通过O 1,使74123(1)产生频率为f m的脉冲序列。f m脉冲不仅由8031的T 0进行计数,同时送至相位检测电路MC-4044。当LM-1812(2)接受到超声波信号时,由其Q口产生脉冲信号通过O3,O2触发74123(2)产生频率为fn的脉冲序列,f n脉冲由8031的T 1进行计数,同时也送至相位检测电路。当相位检测电路发现两个脉冲序列的相位一致或变相时,向8031的P10口发出指令信号,记录两个计数值nm,nn及进行t1=Tmnm-Tnnn的计算,由P13口控制外围器件复位。在检测t2时间时,P11口处于高电平,其它情况类似上述工作。最后根据t1和t2值,计算出流体的流速V值。5结束语以上讨论说明了对超声波流量计的测量方法改进是十分必要的。测量原理的改进可使声速对测量精度的影响得以消除。而