新型高可靠性超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)

曹曉華，楊印保，王海群

（河北聯(lián)合大學(xué)，唐山 063009）

新型高可靠性超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)

曹曉華，楊印保，王海群

（河北聯(lián)合大學(xué)，唐山 063009）

0 引言

目前國內(nèi)的超聲流量測(cè)量技術(shù)主要是靠進(jìn)口,為了解決目前國內(nèi)超聲流量計(jì)在氣體計(jì)量方面所存在的問題,縮小與國外的差距,經(jīng)多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種全新的電路系統(tǒng)。還可以實(shí)現(xiàn)超聲波的遙控、測(cè)距、防盜等檢測(cè)功能。

1 超聲波傳感器檢測(cè)流量的設(shè)計(jì)

圖1為時(shí)差法測(cè)量管道氣體流量的原理圖。有兩個(gè)超聲換能器分別安裝在管道的兩外側(cè):A點(diǎn)和B點(diǎn)處,A與B的同軸線與管道的中心軸線成θ角。兩傳感器分時(shí)測(cè)量?jī)纱?首先換能器在A點(diǎn)處順管道氣體流動(dòng)方向發(fā)射超聲波串,用換能器在B點(diǎn)處接收,可以測(cè)得順程時(shí)間tAB; 然后改用換能器在B點(diǎn)處沿氣體流向的逆向再發(fā)射超聲波串,用換能器在A點(diǎn)處接收,又可測(cè)得逆程時(shí)間tBA。 取二者之差(tBA-tAB) 可以表示被測(cè)氣體流速或流量。以下推導(dǎo)流速、瞬時(shí)流量和累積流量的表達(dá)式。

圖1 時(shí)差法測(cè)量流量原理圖

1)流速方程式

在圖1中,超聲波順氣流方向從A點(diǎn)送到B點(diǎn)的靜態(tài)順程傳播速度c被流體流速vm所加快,有:

反之,超聲波從B點(diǎn)送到A點(diǎn)的逆程傳播速度c會(huì)被流體流速vm所減緩,可表為:

聯(lián)合式(1)和(2)式經(jīng)過變換可得時(shí)差法流速方程式:

式中DN為管道內(nèi)徑;q為超聲傳播方向與管道軸向的夾角;C為超聲在靜止流體中傳播速度;vm為管道內(nèi)氣體的平均流速。

2)流量方程式

時(shí)差法所測(cè)量和計(jì)算的氣體流速是管道中氣體的流速vm, 將之乘以管道橫截面積就可以得到瞬時(shí)體積流量qv:

對(duì)瞬時(shí)體積流量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)積分,可以得出累積流量V的表達(dá)式:

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全電子式流量計(jì)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示,由傳感器和電子電路組成。

圖2 整機(jī)功能框圖

1)檢測(cè)器件:包括一對(duì)進(jìn)行流量測(cè)量的超聲傳感器、一個(gè)進(jìn)行氣體密度補(bǔ)償?shù)某晜鞲衅鳌⒁粋€(gè)進(jìn)行氣體溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?熱電阻)和一個(gè)進(jìn)行氣體壓強(qiáng)補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鳌?/p>

2)超聲發(fā)射與接收電路圖3、4所示。

圖3 超聲波的發(fā)射電路

圖4 超聲信號(hào)的接收電路

3)微處理器:采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F147。

4)通訊模塊:一個(gè)485串行通訊口,一個(gè)4～20mA電流環(huán)輸出接口,一個(gè)4～20mA電流環(huán)輸入接口。

5)帶I2C接口的掉電不丟失數(shù)據(jù)存貯器和時(shí)鐘日歷芯片。

6)一節(jié)3.6V鋰電池供電的電子穩(wěn)壓系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能

整機(jī)功能主要有:對(duì)管道氣體的瞬時(shí)流量和累積流量進(jìn)行精確的測(cè)量;通過四個(gè)按鍵進(jìn)行管道參數(shù)、氣體介質(zhì)參數(shù)和儀表常數(shù)等參數(shù)的設(shè)置及修定;顯示功能:包括瞬時(shí)流量、累積流量、時(shí)間日期、天然氣密度、管道壓力等21個(gè)參數(shù)的顯示;氣體介質(zhì)、氣體壓力以及氣體溫度三種影響量的誤差自補(bǔ)償;掉電數(shù)據(jù)不丟失功能;報(bào)警功能;通訊功能:具備RS485通訊和4～20mA電流環(huán)兩種通訊功能;單電池供電,一節(jié)電池可以使用8年以上。

4 結(jié)束語

該超聲流量計(jì)是一種全新式的流量計(jì),該系統(tǒng)具有高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),具有極高的實(shí)用意義,屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1]丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感器技術(shù)應(yīng)用 [M].北京:電子工業(yè)出版社, 1999.

[2]趙保經(jīng).中國集成電路大全之CMOS集成電路[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1991.

[3]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 1999.

New ultrasonic sensor system with high reliability

CAO Xiao-hua, YANG Yin-bao, WANG Hai-qun

介紹一種工業(yè)用大口徑超聲式氣體管道流量測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是一種帶有微機(jī)的全電子式儀器，它克服了帶有轉(zhuǎn)子式的氣體流量計(jì)固有的時(shí)漂誤差，這種誤差的主要來源在于管道中的油污或銹蝕造成了轉(zhuǎn)子的丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該流量測(cè)量系統(tǒng)不僅適于各工廠中大口徑管道的各種工業(yè)氣體的流量測(cè)量，也適于西氣東輸?shù)却笮凸こ添?xiàng)目，具有廣泛的應(yīng)用前景。

超聲波；自動(dòng)增益控制；超低功耗

曹曉華(1972－),女,河北遷安人,講師,碩士,研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)。

TP212

A

1009-0134(2011)1(上)-0018-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).05

2010-08-05