时差法超声波流量计设计论文(编辑修改稿)

时差法超声波流量计设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

发射超声波脉冲起至接收到第一个波为止的时间间隔内，由于接收门一直敞开着， 外界各种干扰信号都很容易侵入，从而影响测量的稳定性。 克服此弊病的最有效方法是设置一个能跟踪目标的窗口，在此窗口内接收门是打 开的，除此之外，门一直是关闭着，可以有效的防止干扰信号的侵入。 但设计此窗口宽度时，必须考 虑介质温度变化所引起的声速变化以及环境温度对电子元件参数影响等因素。 PLL 锁相回路法 在超声波流量测量中，传播时间只有几百μ s ，用一般计时脉冲（如 1MHz）来 计时是不能满足要求的。 为了达到 1ns 的分辨率，往往需要 1000MHz 计时脉兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 13 冲， 并且相应的要提高各种门电路的开关速度，这是不现实的。 采用锁相技术可以解 决这一问题。 PLL 锁相回路的基本原理如图 8 所示，设置一个电压控制振荡器 VCO ，同步信号发生器 使发射器激励换能器，发射超声波脉冲，同时使计数器开始计数 VCO 的频率，在时间差检测回路中，计数终了信号 N/f 与超声波在介质中传播时间进 行比较，时间差信号被变换成电压后去调节 VCO。 在闭合回路达到稳定状态时，时间差信号为零， t=N/f。 这样的调节每秒可以进行数百次，故响应较快。 但是 PLL 锁相回路没有从本质上解决由于设定阈值而带来的误差问题。 图 8 锁 相 回 路 工 作 原 理 自 动 增 益 控制 利用自动增益放大控制电路，在每次测量结束 后，根据接收信号的强度自动调节接收机增益。 若检测到噪声或输入信号太强则调小增益，如果输入信号太弱且噪声级很低则调大增益，仪器将新的自动增益设置值作为在下一次测量中的增 益初始值。 自动增益控制电路保证了每次检测门槛的精确性。 双 触 发 回 路 所谓双触发回路就是预先设置两种不同的触发电平，当接收波形变化时，改变触发电平，自动选择最佳触发电平来检测时间。 如图 9 所示，通常以 L 电平来检测时间（见实线部分 ）， 在稍许高的电平上预设 H 电平，当波形变化时（见虚线部分 ）， 若继续在 L 电平上触发，就会引起误触发，产生时 间检测误差。 此时可 改用 H 电平触发，即由第二个波触发变到第三个波触发。 如果能引入第二个波与第三个波元时间差的时间补偿，测得传播时间的绝对值也就不变，待接收波恢复， 再返回到用 L 电平触发。 兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 14 图 9 双 触 发 原 理 图 由于双触发回路中包含有误触发检测回路、触发选择回路和延迟时间补偿回路等，因此它增加了硬件电路的复杂性。 超声波流量计的修正 流速的修正 在上文讨论的时差法超声波流量计中，我们所提到的流速 v 都是理想状态下沿管道 截面平均分布的面平均流速，在实际情况中，由于管道截面上流体 流速的分布不均匀 ， 通过式计算得到的流速 v 并不是要求的 横截面上的流体平均速度dV ， 它实际上是超声波信号穿过流体所测得的沿超声波传播路径上的线平均流速，用它进行流量计算势必会产生误差，所以要保证测量的精确度则需首先确定dV 与 v 的关系 ， 也就是利用流体力学原理加以修正 ， 即在 上面的公式中 加入流量修 正系数 K，即体积流量 Q 为 ： 42dkvQ  式中， K 为 流速分布修正系数，即管道中流体线平均流速 v 和面平均流速dV 之比 ； 但是由于管道流体流速分布规律的极其复杂性，人们对流体流速分布规律的 研究仅限于理想管道流 , 即光滑层流条件下的流体流速分布规律和光滑紊流条件 下的流体流速分布规律。 层流和紊流是流体 流动的两种状态。 流速较低或管壁粘性较大时，流体流动的状态是平滑的层状流动，主要是轴向的运动；流速较高或管壁粘性小时，流体质点呈杂乱不规则的流动，即紊流，此时管内流体的流动不仅有轴向的还有横向的。 两种不同流动状态对应着管内的速度分布也不同。 层流状态下的速度分布形式为抛物线状，而紊流状态下流速以管道轴线为中心呈对数曲线对称分布，即管道内的速度分布趋于平坦，因此紊流状态的速度分布比层流状态的速度分布均匀兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 15 得多，超声波流量计也更适合在紊流状态流体中应用，以减少由于流速分布不均匀带来的误差。 根据流体力学可知，雷诺数 Re 是流体流动状态的一个判断依据， 一般认为， Re=2300 可作为流体从层流状态到紊流状态的临界判断，其计算公式如 下： DvRe  式中 v 为流体的平均流速， D 为管道直径，  为管道中流体的运动粘度，  为流体的密度。 1) 当 Re2300 时，流体流动为层流状态，管内 流体流速分布为 : ])(1[)( 2m ax Rrvrv  式中， maxv 为管道中心处的最大电流； R为管道半径； r 为与管道中心的径向距离。 那么，在层流状态下， maxv 与 v 的关系为： m a x02m a x0 32])(1[22vRRrvRdrvvRRr   2) 当 Re2300 时，流体开始向紊流状态过渡，通常介于层流和紊流之间的状态也作为紊流状态处理，管内流体流速分布为 ： nRrvrv 1m ax )1()(  式中， n 随 Re 不同而变化的系数，其值见表 1 所示： eR *103 *104 *105 *106 *106 n 表 1 n 与 eR 的关系 那么，在紊流状态下 ， v 与 vm 的关系为： m a x010 1)1(22vn nRdrRrRdrvvR nRr  而我们所需要知道的是管道截面上的平均速度 vd ，同样利用前面公式，可知层流状态下 vd 与 vmax 的关系为： 兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 16 m a x202m a x21)(12 vRr d rRrvAQvRvd    可知絮流状态下， vd 与 vmax 的关系为： m a x2201m a x)1)(12(2)1(2 vnnnRr d rRrvAQvR nvd    由以上公式可知，层流时流量修正系数为： 34K 絮流时流量修正系数为： nnK 2 12  折射角  的 修 正 夹装式 超声波流量计除了做流速分布修正外，必要时还要对  角进行修正 ，根据  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  角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。 CCC  sinsinsin 1 10 0  式中， 0 为超声波在声 楔 中的入射角； 1 、  为超声波在管壁、流体中的折射角； 0C 、 1C 、 C 为超声波在声楔、管壁、被测流 体中的速度。 图中所示超声波在流体中的  角不但受到流体声速的影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。 然而因为一般固有材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计但在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围 40 ～ 200 ℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。 兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 17 图 10 夹 装 式 超 声 波 传 播 途 径 可得关系式： )sina rc sin (00  CC 因为中 C0 和 0 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  进行修正了。 兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 18 第 三 章 时 差 法 超 声 波 流 量 计 的 总 体 设 计 本课题 研究的超声波流量计是采用时差法测量原理来 进行流量检测的。 通过 查阅国内外的有关文献，分析国内外的各种产品，确定实现具有国内外先进水平 的流量测量系统，设计的时差法超声波流量计要求具有测量精度高、操作简便、 安装调试简单、成本低及可靠性高等特点。 换能器的安装 对于 时差法超声波流量计来说，超声换能器在管道上的安装位置通常有三种不 同形式：平行式、 Z 型、 V型。 如图 11所示： 图 11 换 能 器 的 不 同 安 装 位 置 平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的 次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有 整个流束截面 的代表性，所以是不可取的； Z 型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量 ，会 限制流量计在小管径上的应用；而 V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程 ，是现在国际上流行的两种换能器安装在同一侧的设计。 所以， 在本设计中，我们的换能器将采用单通道（即只采用一对探头） V 字型 安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差 ， 特 别是单通道的发射器、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，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量 的干扰。 测量原理 声学原理 兰州理工大学电信学院毕业设计说明书 19 如第二章第三节所述，当管道中以速度 V流动时，超声波信号在流体中的顺、逆流传播时间分别为 t1 、 t2 ，那么对于 V型安装有： sincos21 vCdt  （ 3 — 1 ） sincos22 vCdt  （ 3 — 2 ）  22221 s i n4 vC dv t。