时差法超声波流量计

1、时差法超声波流量计1引言超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。2超声波流量计分类根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。2.1多普勒法多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体

2、流量。其工作原理如图1所示。图1多普勒法工作原理图Fig.1TheoryofDopplerapproach管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器,发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为f0续超声波。根据多普勒效应，在中间相交区的频率为f1,接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为f2,当粒子流速均为u时，其关系为:rusin:、一,f2=fl(1)=f0(1Cusin：2.2usin：):fo(1-)CC(fo-f2)C2f0sin多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。2.2波束偏移法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。其测量

3、原理如图所示。的连(1)(2)2超声潍射器图2波束偏移法原理图Fig.2Theoryofbeam-excursionapproach流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。3时差法原理3.1时差法时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。基本原理如图3所示。换能器A换能器b图3时差法工作原理图Fig.3Theoryoftransit-timemethod超声波换能

4、器A、B是一对可轮流发射或接收超声波脉冲的换能器。设超声波信号在被测流体中的速度为C,顺流从A到B时间为11,逆流从B到A时间为t2,外界传输延迟总时间为t0。则由几何关系可ti(4)to由于C2>>v2sin2日，则2dvtan1C2_v2sin2f2dvtan1C2v=t2dtan1(6)3.2流速分布修正在上文的讨论中，我们提到的流速匀，需根据流体力学原理加以修正。V都是理想状态下的截面平均流速。在实际中,由于流速分布不均2nv2n12n:1流量修正系数K=2n12n其中n是和雷诺数（Re）相关的值。雷诺数（Re）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体流动状态的一个判断

5、依据。Re4.0x10A32.3X10A41.1X10A51.1X10A6>2.4X10A6n2.02.67.08.810.0表1n与Re关系Tab.1TherelationshipbetweennandRe3.3折射角0修正。角随声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数。因此，必须对0角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。可通过修正C的大小从而实现对。修正，下文通过算法消去C,从而避免修正问题。4总体设计4.1换能器安装对于时差法流量计来说，通常有三种不同安装形式：平行式、Z型、£时平行式图4换能器安装位置Fig.4Theinstallationofultrasonic

6、transducer本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样既可以提高系统的分辨率、方便安装，让超声波在管壁对侧反射一次的方法又可以增加路径长度、减少流速断面分布不均匀的误差。T1V型Fig.5Acousticprincipium由图5及前面讨论可知Cvsin2d/cos2d/cos12(8)(9)2d(t2-ti)tIt2sin2u式(8)中两式相减消去C,得到式(4-3),从而避免了温度影响问题。由于超声波速度远大于流速，一般t很小，对系统时钟要求较高，难以实现。从而采用多脉冲计数法提高测量精度，降低硬件要求。具体原理如图6所示。a瞰谅跟射b逆国发射图6多脉冲法原理图Fig.6Mult

7、i-beamsofultrasonic取足够多次数N次以后的顺逆流时间上和1.。由式(11)得到时间差toNtstji)NLi1N'tr=t0(i)Nt2(10)i1由于外界传输时间t2=t1,所以t=(t2-t1)=rns(11)5硬件和软件设计5.1系统硬件框图主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。讲射电路图7系统硬件结构框图Fig.7Hardwarestructureofthesystem从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命令，使测量模块的各部分协调ATME公司的工作，同时又要向主单片机回送测量数据和该部分的状态信息。考虑到性价比，

8、我们选择了AT89C51,它是一种低功耗、高性能CMOS航单片机，其指令系统与8051完全兼容。5.2系统软件设计图8主单片机程序框图Fig.8FlowchartofthemainMCU主、从单片机程序设计图9从单片机程序框图Fig.9FlowchartoftheviceMCU6结论超声波流量计由于其独特的优点在工业界获得了广泛的应用，但由于其自身特性还存在精度不高、易受影响、可靠性较差等缺点。本文在传统测量方式基础上进行改进、优化计算方式，设计了一种基于多脉冲的时差法流量计，对具体算法改进、硬件平台和软件实现进行了说明。经过部分实验性验证，证明了此方法的可行性，达到设计要求参考文献：1兰纯纯

9、.时差法超声波流量计的研究D.重庆:重庆大学，20062李志军，赵刚，赵连环，王庆山.基于DSP的时差法气体超声波流量计的设计J.仪表技术与传感器,2014,(3)3王清伟，邱俭军.一种提高超声波流量计测量精度的补偿算法J.声学与电子工程,2009,(3)4牛朋恩，薄秀江，程浩.时差法超声波流量计原理及应用案例J.自动化应用,2011,(6)5胡天浩.浅谈超声波流量计J.油气井测试,2003,(4)6陈洁，陈玉红.单片机控制技术快速入门M.北京，中国电力出版社,20157霍晓丽，刘云朋.单片机原理与应用：C语言版M.北京，清华大学出版社,20158王池.我国流量计量发展现状J.现代计量测试，2

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