便携式管道流体流速自动检测装置的设计.docx

1、便携式管道流体流速自动检测装置的设计DesignofPortableAuto-detectionDeviceforFluidVelocityinPipeline（江苏信息职业技术学院机电研完所，江苏无锡214153）摘要：工业过程需要检测不同管路中流体流速的大小。针对传统的电磁流量计存在测量口径固定、安装不便的问题，提出一种基于超声波管道流体流速传感器检测原理的便携式管道流体流速自动检测装置，实现了对管道介质流速的柔性测髭。便携式现场主机可以与上位机通过RS-232通信接口相连，实现对多台检测设备流速迁录的保存和数据的分析，尤其适用于一些不宜直接接触测量的流体介质的流速测置C关I词：流体流速流

2、髭计超声波便携式自动检测上位机串口通信RS232中图分类号：TH81；TP274文献标志码：ADOI：10.16086/ki.issnlOOO-0380.201605024Abstract：Inindustrialprocesses,itisnecessarytodetectthefluidvelocityindifferentpipeline.Inviewoftheinsignificancyoftraditionalelectromagneticflowmeters,i.e.,thefixedmeasuringboreandinstallationinconvenience,thedete

3、ctionprincipleofakindofultrasonicfluidvelocitysensorforpipelineisputforward;andtheportableautomaticdetectiondeviceforpipelinefluidvelocityisdesignedtorealizetheflexiblemeasurementofpipelinemediumvelocity.Ulisportablehostuniton-sitecanbeconnectedIotheuppermachineviaRS232communicationinterface,inwhich

4、thevelocitydatafrommultipledetectiondevicescanberecorded,storedandanalyzed.Thedeviceisespeciallysuitableforsomeunfavorabledirectcontactmeasurementoffluidflowvelocitymeasurement.Keywords:FluidvelocityFlowmeterUltrasonicPortableAutomaticdetectionUppermachineSerialportcommunicationRS2320引言在工业过程中，管道中流体介

5、质的流速测量和调节是一个很重要的控制参数指标。采用传统流量计测量流体流速时，不同内径的管道必须对应不同公称直径的流量计，安装不便，并且增加了企业运行成本"F。特别是在一些特殊的如介质有腐蚀性、不宜直接接触等场合,采用传统流量计测量流速更不方便"5。为了克服上述问题，基于超声波原理，本文提出一种即装即用的便携式管道流体流速检测装置,在不切开管道的情况下，实现非接触式柔性测量。纽扣式的测量传感器便于安装拆卸，在现场主机显示屏或上位机上都可以设置管道的内径大小、管壁厚度、管道材质参数,可测量内径为DN15DN6000的管道内流体流速。1超声波流速传感器的设计原理超声波管道流体流速

6、传感器由两个可以接收和发生超声波的传感器组成。超声波在流体介质中传播时，根据多普勒效应，顺流方向的声波传播速度会增江芥牙产学研联合创新表金麦助项日（爆号：BY2013016）。修改秘收到日期：20】5-07-17。作者项亚南（1989-）,男，2015年毕业于江南大学控制科孕与工程专Jk,荻顼士学位；主要从亨检澈技术及自动化装置方向的研免。大,逆流方向声波的传播速度会减小。超声波管道流体流速检测原理如图1所示。图1流体流速检测原理图Fig.1Theprincipleoffluidvelocitydetection图1中，编号1和2为超声波传感器和超声波传感器，编号3和4为待测管道的上下截面,4

7、点和B点为超声波与管道内截面的交点工为4点到8点的距离,N表示两个传感器从A点到B点的轴向距离为管道的内径,M为管道壁的厚度q为超声波的入射角,胃为管道轴向与超声波声道之间的夹角,V为流体的流速。为了保证流速检测的精度，检测方法还考虑管道壁厚（M）。设£侦表示超声波从传感器1到4点在管壁中传输的时间，口表示超声波顺流从4点到B点的传输时间，侦b表示超声波从传感器2到B点在管壁中传输的时间，板a表示超声波逆流从8点到彳点的传输管道材质传播速度C0/(m.8-')铸铁4572不镌钢5664铜管4394PVC2388玻璃5664衰1几种常见超声波管道材质传播速度Tab.1Thetr

8、ansferspeedofseveralcommonultrasonicpipematerials时间。如，上.2的定义原则相同。因为在管道壁中超声波的传播速度是保持不变的，且管壁厚度相同，于是有:M=知=Sf2。顺流方向，超声波从传感器1到彳点在管壁中的传播时间为：(1)_M勺，Cosina超声波从4点到8点的传播时间为:(5)因此，逆流方向传播时间，即传感器2到传感器1的传播时间为:图2装置总体硬件电路设计Fig.2TheoveraDhardwarecircuitdesignofdevice山=C+Vco曜因此,顺流方向传播时间即传感器1到传感器2的传播时间为：匕,2=h.A+lB.2(3

9、)同样地，逆流方向，超声波从传感器2到B点在管壁中的传播时间为：_MSCosinaB点到4点的传播时间为：_L=C-Vcosfi虹1=，2,8+B.A+(6)以上公式中:C为超声波在静止的流体介质中的传播速度;C。为超声波在管壁中的传播速度；a由传感器设计时确定，取45。e=N2+D2(7)/vco阳=了(8)2便携式检测装置的硬件电路设计基于超声波的便携式管道流体流速自动检测装置主要由便携式现场主机单元、纽扣式的超声波收发装置、时间数字转换器、超声波专用电缆线和上位机实时监控单元构成。便携式超声波管道流速检测装置可以单独使用,当便携式检测设备通过串口通信模块与上位机相连接时,可以与上位机通信

10、进行数据交互。便携式管道流体流速检测装置的总体硬件电路设计如图2所示。由上述各式,推导得到流速V的表达式为:+万*2r.22N2M2M1,2Cosina/2,1Cosina/(9)式(9)与C无关，只与超声波传感器的安装位置(决定N的大小)、管道的内径0、管道壁的厚度M、管道的材质(决定C。的大小)有关。所以只需要在使用之前固定好传感器的位置、设置好相应的管道参数踪冲驱动1一"5昧冲动2_-XL(N、M、D)和管道(通过选择不同的材质，例如常见的铸铁、不锈钢、铜管、PVC、玻璃等)，便携式主机单元可自动查出超声波在其中的传播速度。便携式现场主机单元在计量超声波顺流方向传播时间妃2和逆

11、流方向传播时间弓后,可由式(9)计算得到流速。7图3TDC-GP2外国电路连接图Fig.3TheperipheralcircuitconnectionofTDC-GP2备S-NM直S05dssWUJS-ZWFire：INTNi§OS几种常见的超声波在不同管道材质中的传播速度如表1所示。图3为TDC-GP2外围电路连接图。TDC-GP2芯片具有皮秒级别的高精度时间测量能力,TDC-GP2外接两个晶振，其中4MHz的高速晶振用于时间测量和时钟校准,32kHz的晶振用于芯片的内部定时。Fi鸣和Fire2能墙触发两组高速脉冲激励信号，用于激励上下两组超声波收发装置。Start引脚用于测量超声

12、波计时开始的信号,Stop引脚用于接收测虽停止的信号。两个超声波收发单元各自发射和接收超声波，通过专用的超声波专用电缆线,将信号传输到便携式现场主机单元中。该收发装置固定在管道上,用于实现管道流体流速的非接触式测量。系统采用MAX232芯片实现串口通信的功能，其接线如图4所示。图4MAX232芯片串口通信接线图Fig.4WiringdiagramofserialcommunicationofMAX232chip3流速检测设备系统软件设计流速检测系统检测流程如图5所示。图5系统检测流程图Fig.5Theflowchartofsystemdetection一种基于超声波的便携式管道流体流速自动检测

13、装置的应用软件设计，主要包括初始化程序，流速数据的处理运算，实时数据的显示、通信处理，流速数据的保存和管理4大部分。 扫描初始化程序,包括从EEPROM中读取运行参数,A/D端口的初始化，串口通信方式的配置。 采集待检流速的管道参数:传感器的安装位置(N的大小)、管道的内径D、管壁厚度M、管道的材质(60的大小)，超声波在常见不同材质中的流速见表1。 TDC-GP2测量得到超声波顺流方向传播时间和逆流方向传播时间。 在系统中预先设定一个采样次数常数M用于确定顺流和逆流的采样时间个数，均值滤波，求N次采样时间的均值。由式(9)计算得到流速。 LCD液晶显示模块显示实时的流速值。 当便携式主机与上

14、位机通过串口RS-232相连时,上位机不仅可以向主机发出控制命令,设置管道的参数,而且还可以记录并保存流速数据。上位机可以实现参数设置、实时数据显示、流速曲线显示和报警记录4个功能，并且可以对多台检测设备同时在线监控，实现对工程中的流速数据集中分析处理，以便进行数据溯源。4结束语本文提出一种超声波管道流体流速传感器的检测原理,并设计出一种可实现对不同管径大小的管道流体流速的便携式检测装置。该流体流速检测装置柔性安装，易于携带。现场的主机单元能够自动检测并显示当前流速大小。当便携式检测设备与上位机相连时，可以实现对多台设备检测的流速数据的记录保存和分析。便携式管道流体流速检测方法适用于一些不宜直

15、接接触的流体介质,实现非接触式的管道流体流速的自动检测，具有广阔的应用前景。参考文献涂亚庆，苏奋华,沈廷瞥，等.自适应陷波器的科氏流M计值号频率跟踪方法J.重庆大学学报：自然科学版,2011,34(10)：147-152.1 王菊芬，孟浩龙，岳彬，等.新型涡轮流量计的理论模型J.力学与实践,2014,36(1):64-68.2 何成.长距离矿浆管道输送过程检测与控制关裸技术的研究D.长沙:湖南大学.2014.3 蔡富东.用于非接触式表面测速的江河流量回归计算模型J.信息技术与信息化,2014(1):90-93.4 李小亭，王小杰,方立德.等.新型内外管差压流量计特性研究J.仪器仪表学报,2012,3