超声波流量测量原理.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：6.05M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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文摘

英文文摘

1 绪论

2 时差法超声波流量计的理论研究

3 时差法超声波流量计的总体设计

4 时差法超声波流量计的硬件设计

5 时差法超声波流量计的软件设计

6 系统误差分析及实验结果

7 新技术展望

结论

致谢

参考文献

附录

重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被供水、石油、化工、电力等部门广泛应用。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多不完善的地方，比如成本较高、精度不够等，有必要对其加以改进和提高。本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料，选择时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究，并设计了具体的硬件电路，主要工作及创新有：1.研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究；根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了修正，并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式；2.针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响；介绍了几种常用提高超声波测时精度方法的同时，讨论并采用了超声波时差测量的新方法——多脉冲测量法的原理和应用；3.结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析和设计，讨论了器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路；在信号调理上，除了常规的滤波电路外，还采用了自动增益放大电路来提高信号的可靠性；而且，采用主从单片机协同工作的方式，提高了系统的稳定性；在软件方面，给出了系统的软件流程图并较详细地叙述了算法的实现；4.针对流量计的工作环境，对流量计系统的抗干扰性进行了研究，并采取了相应的软、硬件措施；5.对造成超声波流量测量误差的各种因素进行了详细的分析、研究，并应用误差理论，对时差法超声波流量计的各种可能的误差进行了误差分配和合成；对硬件电路和软件进行了试验性的验证，给出了实验结果。关键词：超声波流量计，时差法，传播时间

重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTUltrasonicflowmeterhasbeenwidelyusedinwaterworks,oilindustry,chemicalindustryandelectricpowerplantinvirtueofitsmanyadvantages,suchasnon-contact,widemeasurementscope,convenienceofinstallation,especiallyacceptableformeasurementoflargeflowandflowindangerousenvironment.However,theultrasonicflowmeterdevelopsjustsometenyears,andhassomedisadvantages,thusitisnecessarytomakemodificationandadvance.Afterdeepmarketinvestigationandmanyreferencesabouttheultrasonicflowmeter,wechoosetime-difference-typeultrasonicflowmeterforourstudyobjects.Thearticlemakesdeeptheoreticalresearchontheproblemofimprovingaccuracy,stabilityandreliability.Inaddition,itsuppliesthedesignsofcircuits.Generally,therearefivepartsasthefollowing:1.Expoudedtheprinciplesofsomeultrasonicflowmeter,especiallyaboutthetime-difference-typeultrasonicflowmeter;researchedthetransducerthepropagationcharacterofultrasonicinfluid.Thentheultrasonicflowmeterwascorrectedaccordingtothetheoryofhydromechanicsandphysics,andcalculationformulaeoftheflowrevisioncoefficientaregivenunderdifferentstate.2.Onaccountoftheproblemthattheaccuracyoftraditionalultrasonicflowmeteriseasilyinfluencedbytemperature,adoptanimprovedalgorithmwhichcanavoidtheinfluenceonaccuracybytemperaturevariationtosomeextent;introduceseveralmeansaboutprecisemeasurementonpropagatingtime,meanwhile,discussthetheoryandapplicationofabrandnewmeasurementmethod--themulti-beamsmethoddeeply.3.Takingthestudyintoconsideration,analyzeanddesignthehardwarecircuitofflowmeterindetail,discusssometechnicalmatterssuchaschipselectionandparameterscalculation,designabettermatchingemittingandreceivingcircuits,useroutinefiltercircuitandautomaticgaincontrolcircuittoadjustsignal;furthermore,withthehelpofdoubleMCU,theresistabilityofsystemtodisturbingisimprovedstrongly.Insoftware,thesoftflowchartofsystemandthedesignideaofthesystemaregiven.4.Consideringtheenvironmenttheultrasonicflowmeterworked,theanti-jammingoftheflowmetersystemarediscussed,andthecorrespondingmethodsofsoftandhardwareareadoptedtominishorremovetheinterfere.

重庆大学硕士学位论文英文摘要III5.Analyzeandstudyvariouserrorsourcewhichappearinultrasonicflowmeterworkingenvironmentandininstallationprocess.Accordingtothedistributionprinciplewhichistostressmainerrors,composeallpossibleerrors.Keywords：UltrasonicFlowmeter,TimeDifferenceMethod,TravelTime.

重庆大学硕士学位论文绪论11.绪论1.1流量计的发展概述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[1]。早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。1738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1791年发表了研究结果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。1911～1912年,美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30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[2]。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。为满足不同种类流体特性，不同流动状态下的流量计量问题，近30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、涡街流量计、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100多种，国内定型投产的也有近50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。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。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，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面

重庆大学硕士学位论文绪论2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求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平[1]。1.2超声波流量计概述1.2.1超声波流量计的发展和现状超声波流量计（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。在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。1931年，O.Rutten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[2]。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量[3]，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法的MAXSON流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量[4]，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广[5]。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术（PLL）的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。20世纪90年代以后技术的革新，新材料、新工艺的不断涌现，智能化信号处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展，测量精度有显著突破，形成了迅猛发展的势头。超声波流量计早期应用局限在液体流量计量，近年国外气

重庆大学硕士学位论文绪论3体用超声波流量计发展很快，常用的可测气体有空气、沼气和氮气等。而国际上天然气工业的发展，更加促进了超声波流量计在气体的应用。英国市场已经在用超声家用燃(煤)气表大宗替换传统皮膜式家用煤气表，在中国市场，也有国内公司开始涉足这一市场应用。目前市场上管道式气体用的超声波流量计的最大管径可达到1100mm，最多的有6个声道，精度可以达到0.1的等级。夹持式气体用超声的管径最大可达到1500mm，最多可以有8声道，精度在0.5－1％测量值之间。近年国际市场较为引人注目的超声气应用，就是中国的西气东送项目。在这一世界最长的气体输送管线上，每年要输送超过40亿美金的天然气，总计有13套超声气体流量计在这一管线应用[6]。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（CompoundAnnualGrowthRate,CARG）为10.5,到2005年全球超声波流量计的销售额可以达到3.65亿美金，82,100套的市场规模。FrostSulliven2002年给出的预测为14.6,FlowResearch2002年的预测为15.3，远远高于其它流量计的增长率[6]。当今全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家,其中处于领先水平的国家有：美国、荷兰、日本、英国、德国和加拿大等。这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和推广方面积累了丰富的经验，再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制造领域的优势，使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额，并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势,较著名的有美国的Controlotron和Ploysonics、德国的Krohne,、荷兰的Instrormet、日本的横河等等。我国超声波流量计的研究起步较晚，60~70年代机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北京大学相继进行超声波流量检测的研究，80年代中期，开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从日本富士电机公司相继引进专用技术，生产具有80年代国际先进水平的超声流量仪表，但是市场基本为国外产品占据。我国超声波流量计年产量90年代初估计为800～1000台[7]。我国于94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“JJG198-94速度式流量计”的国家计量检定规程（包括超声波流量计）JJG（建设）0002-94超声流量计（传播速度差法、多普勒法）的部门计量检定规程[7]。这是我国超声波流量计发展的一个标志[8]。目前我国超声波流量计的研究和生产仍比较落后的，尽管近年来随着国外各大超声波流量计生产公司的产品纷纷进入我国的市场，也带动了国内超声流量测量研究的发展，出现了唐山汇中、南京亚楠、大连先超、武汉泰隆等国内生产超

重庆大学硕士学位论文绪论4声波流量计的厂家。但是从总体上说，我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距，在国内市场中，高精度的超声波流量计还是国外品牌的天下，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面。1.2.2超声波流量计的特点超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，相对于传统流量计而言，它主要具有一下特点：①可作非接触测量。夹装式超声波流量计无需停流截管安装，只要在管道外部安装换能器即可，为无流动阻挠测量，无额外压力损失，这是超声波流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点。②适用于大型圆形管道和矩形管道，原理上不受管径限制，通用性好，同一仪表可以测量不同管径的管道流量，使用时不必严格考虑管材和壁厚，且其造价基本上与管径无关，更适合于大管径、大流量的场合。③对介质几乎无要求。只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量，因而适用于多种流体，除了水、石油等常见流体外，尤其适用于其他方法不便测量的情况，例如高温高压、腐蚀性液体、高粘度液体或气体等；而它可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。1.3超声波流量计的分类1.3.1按信号检测原理分根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法及噪声法等不同类型的超声波流量计。⑴传播速度差法传播速度差法利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，进而求的流量。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频率差法。时差法由于时间差t的数量级很小（约为108～109s），所以一般用于大口径管道及明渠等的流速或流量测量[9]，但此法受温度影响较大，其发展方向是提高计时精度和设法降低温度对测量精度的影响。相位差法是将时间差转换为超声波传播的相位差来进行流速或流量测量，避免了测量数量级很小的时间差值而采用测量较易测量的相位差值，可提高测量准确度，但准确度会随流体温度变化而变化，需进行声速修正。频率差法采用测量顺流和逆流情况下超声波脉冲的循环频率差来反映流量大小，精度高、受温度影响较小，但是受环境影响较大，工作不稳定。关于时差法将在第二章做详细介绍。⑵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

重庆大学硕士学位论文绪论5移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。其工作原理如图1-1所示。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Tf的连续超声波。根据多普勒效应，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为Rf,当粒子流速均为u时，Tf与Rf有如下的关系：)sin21()sin1(2CufCuffTTR则多普勒频移f为：f＝RTff=CufTsin2所以：ffCuTsin2图1-1多普勒法工作原理图Fig1-1TheoryofDopplerapproach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。⑶相关法当流体在管道内流动时，其内部存在着各种各样的随机扰动，从而产生了与流动状况有关的流动信号，并具有一定的统一特性，其工作原理如图1-2所示。在管道上取相距为L的截面A和B，两个超声波接收器分别检测到流动信号x(t)和y(t)，对x(t)、y(t)作互相关运算，获得互相关函数)(xyR：TxydttytxR0)()()(当L在一定范围内时，流动信号x(t)和y(t)具有一定的相似性，故互相关函数)(xyR会出现一峰值，该峰值对应的时间位移0即为理想状态下流体从A截面到B截面的渡越时间，流体的平均流速为：0/LV相交区发射束散射区超声发射器超声接收器u

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