时差法超声波流量计.ppt

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1、时差法超声波流量计4总体设计3时差法原理21概述及超声波流量计简介超声波流量计分类目录录5硬件、软件设计6实验研究一、概述及超声波流量计简介自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。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进口。目前我国的流量装置方面，与国际水平仍存在较大差距，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

2、求。超声波流量计（简称USF）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。ARC(AuotmationResearchCorp)2001年给出2001-2005年超声波流量计的年复合增长率（CompoundAnnu

3、alGrowthRate,CARG）为10.5,远远高于其它流量计的增长率。特点：①可作非接触测量②适用于大型圆形管道和矩形管道③对介质几乎无要求二、超声波流量计分类1、多普勒法多普勒效应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，进而测出流体流量。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。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

4、确度要求不高的高速流体流量测量。3、噪声法4、相关法三、时差法原理流量单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单位为kg/s。超声波特性超声波通常指频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们只以水为介质进行分析。超声换能器的结构及原理当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声

5、波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。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。流速分布修正雷诺数（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依据。折射角θ修正θ角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数。因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到

6、温度补偿的目的。和为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。这样就可以通过修正后的C对θ进行修正了。四、总体设计换能器安装本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布不均匀的误差，测时原理假如所测管径为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度1450m/s；发射角θ为45°。当流体流速为v=1m/s时：t1＝97.484μs，t2＝97.579μs，△t＝95ns。如果要求系统测量

7、精度为1％，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时。这样高频率时钟电路和计数电路都难以实现。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。五、硬件、软件设计超声波换能器的选择1、频率：用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz～2MHz。超声波的频率越高，分辨力也越好。但是对于同一材料来说，超声波在传播过程中的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2次方成正比，所以频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。我们选用中

8、心频率为1MHz的探头。2、入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角位于第一临界角和第二临界角之间，以保证仅一束超声波被探头接收。若管道为钢管，探头用有机玻璃作为声导，一般入射角选取28.7°～60°，我们选取入射角为45°。发射和接收电路通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消