摘要:流量儀表作為計量物質(zhì)量變的工具，在各行各業(yè)都發(fā)揮著重要的作用。上海自動化儀表有限公司在本文中主要介紹本公司研發(fā)的超聲波流量計的設(shè)計方法。該超聲波流量計具有士1%的測量精度。

1.引言

    在人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)過程自動化中，流量是需要經(jīng)常測量和控制的參數(shù)之一。需要檢測的流體媒質(zhì)的種類不斷增多，檢測的對象從層流到紊流，從單相到多相流，工作條件有各種氣液種類、各種溫度變化、壓強變化等等。人們根據(jù)不同測量對象的物理性質(zhì)，利用不同的物理原理和規(guī)律，設(shè)計制造出各種類型的流量測量儀表，應(yīng)用于油、氣、水等資源的計量和工藝流程的控制中，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動檢測和控制。在各種流量測量儀表中，超聲波流量計正憑借其自身的優(yōu)勢成為一種日益受到人們關(guān)注、發(fā)展勢頭強勁的技術(shù)。

    相比于傳統(tǒng)的接觸式流量計，超聲波流量計具有以下不可比擬的優(yōu)點:1.屬于非接觸式測量，測量元件可以安裝在管道外壁，基本上不干擾流暢，無壓力損失，可以測得瞬時流速又不影響系統(tǒng)的正常運行。在這方而相對于壓差流量計、渦街流量計、渦輪流量計和容積式流量計，超聲波流量計具有明顯優(yōu)勢。2.通用性好，同一臺流量計可以測量不同口徑的管道，只要調(diào)整安裝方法即可。3.適應(yīng)性強，使用范圍廣。它幾乎不受流體物理性質(zhì)的限制和影響，只要是超聲波能夠傳播的流體即可，能夠應(yīng)用于流體是高溫、有放射性的場合。4.精度高，目前單通道的精度可以達到士1%，多通道可以達到士(0.5%o 5，測量范圍寬，大多數(shù)超聲波流量計可以測量的液體流速范圍是0.1m/s-10m/s。

    超聲波流量計的優(yōu)點已經(jīng)逐漸被人們所認識，應(yīng)用場合也不斷擴大，如石油，水處理特別是城市的污水處理，制漿和造紙行業(yè)，制藥和化工行業(yè)，食品和飲料加工行業(yè)等。

2.超聲波流量計測量原理與方法

    目前超聲波流量計測量方法主要分為:時差法、多普勒法和互相關(guān)法。其中時差法是使用最為普遍的，本設(shè)計采用的也是時差法。其測量原理如下:

 

圖1 時差法原理

    超聲波是一種機械波，其在流體中順流和逆流的傳播速度是不同的，川頁流體方向傳播時速度加快，時間變短;逆流體方向傳播時速度減慢，時間變長。時差法通過測量這個時間差，計算出管道流體的流速，進而在時間上進行積分運算求得累計流量。時差法的關(guān)鍵在于準確測定超聲波在兩個換能器之間的傳播時間，適合于管道流體不含雜質(zhì)或雜質(zhì)較少的場合。其原理如圖1所示。記:

    t1—順流傳播時間

    t2—逆流傳播時間

    C—聲速

     —傳播路徑和管道軸線夾角

    L—傳播路徑長

    V—流體流速

    D—管道直徑

    有以下式子:

 

    聯(lián)立((1)、(2)式可得:

 

    其中L、D等參數(shù)都是管道和傳感器安裝的幾何尺寸參數(shù)，可以預(yù)先輸入儀表，儀表的關(guān)鍵任務(wù)在于測量t1和t2。對于單通道超聲波流量計，根據(jù)(3)式求得的V只是超聲波傳播路徑上的線平均流速而非管道截面的平均流速，需要乘以一個修正系數(shù)k將線平均流速折算為截面平均流速。通常的方式是根據(jù)流體動力學(xué)模型計算出k值，再通過實驗進行校正。本設(shè)計是基于時差法的單通道超聲波流量計。

3.超聲波流量計設(shè)計方案

    本設(shè)計的控$11核心是PC/ 104嵌入式PC模塊。嵌入式PC模塊廣泛用于各種高可靠的智能設(shè)備中，其超小尺寸、超低功耗、寬溫特性、單+5V供電，以及一系列針對嵌入式應(yīng)用的功能擴展，使工程師可以將它視為一個超級芯片。

    整個儀表硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。