超声波流量计的设计毕业设计论文.docx

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超声波流量计的设计毕业设计论文

毕业设计说明书

超声波流量计的设计

1绪论

我国水资源相当匮乏，分布也不平横，随着国民经济的发展，我国水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高，特别是对大型引水、城市供水等大流量计的计量，要求流量计的精度很高，因为很小的测量误差就会产生很大的流量误差，因此带来的直接经济利益是一个很可观的数目。

因此需要有高精度、大流量、使用方便、价格合理的水流量计。

1.1超声波流量测量技术发展概述

超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。

利用超声波测定流速、流量的技术不仅应用在工业生产方面，而且在医疗、海洋观测及各种计量测试中都有着广泛的应用。

1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“呜环”时差测量法，用于航空燃料油流量的测量。

上个世纪70年代中后期，基于大规模集成电路技术的飞速发展，商精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的PLL（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定性和可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法。

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进行了大量深入细致的研究，指出管道内流体流动存在两种状态：

层流状态和絮流状态，并给出了层流状态与絮流状态下流速分布规律的理论分析，提出了流量修正系数及其理想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[1]。

进入80年代中期，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法和频差法两种方法，由于电子技术及其相关理论的飞速发展，超声波流量计的种类越来越多，又出现了射束位移法、多普勒法、相关法及噪声法等。

到了80年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量计向高性能、智能化方向发展。

由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能够设计出友好的人机界面,使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操作和使用。

单片机在超声波流量计中的应用，使超声波流量计开始真正进入工业测量领域[2]。

最近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，基于新型探头材料与工艺的研究，基于声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其潜在的巨大的生命力是显而易见的。

超声波流量计的发展历史来看，美国最早着手这方面的研究，而且很快就有产品投入使用。

前苏联以及西欧各国也很快很早就开始从事这方面的研究，前苏联的科学工作者广泛地对流量测量理论进行了研究，讨论了流速分布中的流量补偿系数问题，并且提出用多路超声波流量计解决流场畸变对测量精度的影响，为超声波流量计进一步提高精度打下了坚实的基础，但在实际应用方面远不美国那么活跃。

日本是超声波流量计研究的后起之秀，在消除管外传播时间、提高一起精度和缩短响应时间方面有独到之处。

我国的超声波流量计研究工作虽然起步比较晚，但是由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用了。

目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电予有限公司、大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。

国外著名的品牌有日本的富士，美国的宝丽声、康创，英国的梅克罗尼等。

其中美国的宝丽声公司的最新一代DDF系列超声波流量计使用了技术DSP进一步提高了超声波流量计的灵敏度和抗干扰能力,其可测的最小管径为0.006米[3]。

1.2常用流量计类型和性能比较

目前的流量计有机械式、电阻式、电磁式、光电式等类型。

机械式流量计如使用萨卧纽斯（savonius）是由三个圆形平板和两组半圆形翼构成,半圆形翼（叶片）在水流的冲击下使转轴旋转,转子的转速与流体的流速成正比,由计数电路测得转子的计数值,计量出流体的流速,但是,这种流量计的精度不高[4]。

电阻式旋浆流数传感器由旋浆、电极、转轴、轴承和测杆等构成,当旋浆置于待测水中时,浆叶的迎水面和背水面的流速不同,故在水流方向产生压差,所产生的推力使旋浆转动。

流体的流速与单位时间内旋浆的转速接近线性关系,在控制电路的的作用下,可定时记录旋浆的转速,计算出流速,这种流量计测量出的流速范围较小,精度也不高。

电磁式流速传感器是利用导体在磁场中做切割磁力线运动时,导体上产生感应电动势。

水是导体,当水流垂直于电极方向运动时,由于水流切割磁芯顶端的磁力线,故在电极两端产生感应电动势,该电动势通过引线传送到检测仪表,当传感器的结构、磁芯和激励电源确定后,磁感应强度即为定值,电极间的距离也固定。

因此,水流动时产生的电动势与流速成线性关系，计算出流速，但这种流量计要求测量场所不能有强的电磁干扰，传感器表面不能有气泡或油污，否则会影响检测精度。

光电式流速传感器由光源、光敏元件、光纤、带反光镜片的叶轮、转轴、测量框架和测杆等组成，叶轮的一个叶片边缘贴上一层极薄的反光镜片，叶轮在水流或气流的推动下转动一周，光纤的传输光反射一次，接受端经光电转换后产生一个电脉冲信号，检测电路检测并计算出转速，最后计算出流速，但流体中有杂质时会影响测量的精度。

实践证明这些流量计的测量范围、精度都较低，一般用于精度要求不高、流速较低且流量较小的场合，远远达不到诸多供水系统的要求，而利用超声波测量原理来测量流量能达到较高的精度。

1.3超声波流量计的特点和用途

超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其测量范围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于1厘米到几米，工作温度从低温（如液态氧、液化天然气）到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到击败个大气压，其响应时间从几个毫秒（引擎控制）到24小时（监控管道流量）在医学上可以测量胤管流量，还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。

和传统的流量计，如差压流嚣计、转子流最计、文丘里流量计、涡街流量计等相比，超声波流量计有以下突出的优点[5]：

①结构简单，安装、使用和维护方便。

超声波流量计可以夹装在管道外侧安装，无对管道进行改动，这给临时检奇管内的流量提供了方便。

②可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟董或者数字量输出

③待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。

这种非接触式测量方法无力损失，不破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。

④超声波流量计的成本和制造难度不随口径的增加而增加，尤其适合大、中口径管的测量。

1.4超声波流量计

超声波流量计有相关超声波流量计和应用空间滤波器的超生波流量计等，应用最广泛的是一种利用多普勒效应的多谱勒超生波流量计，另一种是利用超声波在流体中顺、逆流传播速度变化来测量流速而计算出流量的流量计[6]。

1.4.1多普勒超生波流量计

多普勒超声流量计是利用多普勒（Doppler）效应,它是利用超声波在有悬浮颗粒或有气泡的流体的传播过程中由于悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普勒效应来测量的，它只适用于含有杂质颗粒或气泡的场合[7]。

当发射传感器A与接受传感器B都装在与管道轴线为θ的两侧，且都迎着流向，当平均速为v，声波在流体中的速度为c时，接收到的频率f2将比原发射频率f1略高其差△f即多普勒频移，可用（1-1）式表示：

（1-1）

平均流速为（1-2）式

（1-2）

这种流量计可测量的流体包括生活污水、工业废水、机油、重油、及其它非均匀流体，适用管材为金属、橡胶和塑料等，速范围可达到16m/s,使用管径达到3米，测量精度达到2.0级。

由于适用范围广，测量精度高，因此得到了广泛的应用，目前国也有比较多的厂家生产此类产品。

1.4.2时差法超生波流量计

时差法超声波流量计的原理是利用超生波在流体中顺、逆流传播速度变化，引起超声波的传播时间变化，根据传播时间差来测量流速而计算出流量。

时差法流量计可测量的流体包括水、海水、污水、酸碱、汽油、柴油等均匀流体，浊度小于10000度（mg/1）,微粒小于1mm，管材可以是钢、铸铁、有机玻璃、PVD管材、玻璃钢管等，管径可以大到20米，明渠宽度可以更大，测量精度圆管可以达到1.5级，经过校正后可以达到0.5级，对于明渠测量精度达到2.0级。

由于测量精度高，测量的流量大，在大流量测量如供水系统中得到了广泛运用。

国内目前生产的此类流量计大多只能测量较小流量的范围，管径一般在3米以内，国外同类产品的测量范围较大，测量管径可达15～20米，测量精度也较高。

2超声波流量计原理

2.1超声波简介

2.1.1超声波的频率

超声波频率f≥20KHz，诊断超声波频率一般范围在0.5～80MHz，其中3～10MHz最常用。

2.1.2超声波的发生

超声波可由多种物理能量转变而成，需经过换能器进行转换。

目前最常用的换能器是压电陶瓷即压电晶体，在交变电场的作用中产生厚度的交替改变即声振动，当电场交变频率与压电晶体的固有频率一致时，换能器的电转换（电声）效率最高，即晶体的振幅最大。

压电晶体常具有两种可逆的能量转变效应，由电能转变为声能时称逆压电效应，相反，由声波的压力变化传至压电晶体后其两端的电极随声波的压缩（压力）与张弛（负压）发生正负电位交替变化，称正压电效应。

在逆压电效应中压电晶体成为超声发生器，在正压电效应中压电晶体成为回声接收器。

天然的压电晶体以石英为代表，另有机压电薄膜材料（聚偏氟乙烯PVDF）其声阻抗与人体软组织声抗十分相近，检查时减少中间传递的声能量损失。

压晶体在制成一个器件后称超声探头，探头在发生超声时称为声源。

2.2研究超声波流量计测水量需用：

时差法

当声波在流体中传播，顺流方向传播，速度会加快；逆流方向，传播速度将变慢。

同样的距离，传播时间就会有差异，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有直接关系。

因此测量出时间的差异，就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。

在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个传感器，使其轴线重合在一条斜线上。

图2.1时差法超声波原理图

当传感器A发射，B接收时，声波基本上顺流传播，速度快，时间短，可写为

C+V=L/t1（2-1）

B发射而A接时，逆流传播，速度慢，时间长，可写为

C-V=L/t2（2-2）

以上两式中L——两传感器间的传播距（单位是m）；C——超声波在静止流体中的传播速度（单位是m/s）；V——被测流体的平均流速（单位是m/s）。

由（l）式和

（2）

得

2V=L/tl-L/t2=L（t2-tl）/tlt2（2-3）

式中V——流体沿声路方向的平均流速。

而我们要测量的实际流速是沿管道或明渠方向的流速，它为沿声路方向流速V与垂直于声路方向流速的合成量，因此，实际流速V"为

V"=L（t2-tl）/2tlt2cos

（2-4）

式中

——声路与流体流向间的夹角即声路角；L/2——常数。

只要测出顺流和逆流传时间tl和t2就能求出V"，进而得到流量，这就避免了求声速C的困难。

这种方法不受温度的影响，可以实现精确测量[9,10]。

3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。

3.1流量计设计参数

管径大小：

D=250mm；

测量液体：

自来水厂用水；

管道材料：

钢，铸铁，PVC管材等超声波可穿透的满管；

流速范围：

0～5m/s；

液体温度：

0～50℃；

直管段长度：

上游＞10D,下游＞5D。

3.2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3.1所示。

图3.1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个换能器安装在同一侧的设计。

所以，在本设计中，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[11,12]。

3.3测量原理

3.3.1声学原理

当管道中流体以速度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：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

但是,由式（3-4）我们可以看到流体的流速v与超声波速度C有关,而C又受温度、水深等物理参数的影响，如果直接利用式（3-4）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度C剔除。

由式（3-1）、（3-2）可知:

（3-5）

（3-6）

式（3-5）、（3-6）相减可得：

（3-7）

式（3-7）与（3-4）相比,消掉了超声波速度C这一项,因此,改进后的时差法公式消除了C对测量结果的影响,从理论模型上提高了流速的测量精度[13]。

图3.2基本声学原理图

图3.2基本声学原理图

3.3.2测时原理

时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关,采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关键问题。

由式（3-7）可以看出:

（3-8）

由数学知识我们可以知道

（3-9）

由式（3-9）可以看出,k越小,v对时间参量要求的精度就越大,也就是说管径越小就越难以测量。

为了解决这个难题,我们采用多脉冲法作为本课题的测时方法。

多脉冲测量方法是进入九十年代以来,国外生产厂家首先采用的一种测时方法,美国康创公司推出的UNIFLOW流量计以及最近我国深圳晨光科技实业有限公司在引进德国技术的基础上设计的ZCL-15系列时差法流量计均采用了多脉冲法,但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍,或在产品说明书中一带而过。

我们通过对以往人们常用的超声波测时方法的分析,结合微处理器的特点,对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。

多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间,而且能在流量测量过程中结合多脉冲测量方法的特点,利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差做出了合理估计从而确保了流量测量的精度[14]。

所谓多脉冲测量方法就是利用超声波的多次发射和接收过程,对某一物理量进行测量的方法。

其工作示意图见图3.3。

图3.3超声波多脉冲法示意图

首先使一个超声波换能器T1作为发射探头,另一个换能器作接收探头。

如图3-3（a）所示。

然后将触发信号施加在发射探头T1上使其发射超声波。

超声波顺流传播被接收探头T2接收并转换为电信号，接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器T1第二次发射超声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。

在完成N次声循环后循环停止，假设这N次顺流声循环所需的

时间为

它包含N次固有延迟时间

（i=1,2,3…N）之和以及N个超声波在水中单次

顺流传播时间

之和,即:

（3-10）

接着使超声波换能器T2作发射探头,T1作接收探头,如图3-3（b）所示,将触发信号施加在发射探头T2上使之开始发射超声波,接收探头T1接收到超声波后,经放大、整形处理,触发T2第二次发射超声波,这样就形成了逆流超声波声循环,同样可知超声波完成N次逆流声循环后所需的时间

包含N次固有延迟

之和以及N个超声波在水中单次逆流传播时间

之和,即:

（3-11）

当图（a）和图（b）中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路,而且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时,只要N足够大,由于统计效应的出现,上述两次声循环的延时总和是相等的,即:

（3-12）

于是:

（3-13）

由式（3-13）可看出时间差t不用再去测量难以准确计量的微小时间

、

而是改测相对足够大的时间

、

。

应用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后现有的电子线路,可以非常容易的对

、

进行测量,时间差

的准确测量就变得容易。

3.4系统硬件框图

根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点,本课题研究的时差法超声波流量计主要由两部分组成,时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。

时差信号采集部分以从单片机89C51为核心,根据主单片机发来的命令进行相应的操作,主要负责进行超声波的发射和接收以及传播时间的测量,它由超声波发射电路、接收放大电路、顺/逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分,则以单片机89C52为核心,主要负责对整个系统的控制、流量的计算还有人机接口服务,包括键盘、LCD显示、数据存储等。

其系统框图如图3.5所示。

系统的工作过程：

从单片机收到主单片机发出的测量命令后产生一定的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数电

路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。

当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。

这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播的时间，并通过并行口送到主单片机上。

主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到LCD上显示出来[15]。

图3.5系统硬件结构框图

4时差法超声波流量计的硬件设计

4.1超声波换能器的选择

超声波换能器（以下简称探头）是超声波流量计的重要组成部分，是利用超声波技术进行流量测量的关键，它的性能直接影响到整个检测系统的性能和可靠度。

探头的种类很多，性能各异，因此需要根据实际情况，合理的选择：

①频率：

超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，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，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好。

按理说为提高计时精度，应当选高频率的探头，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。

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，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，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°。

③发射强度：

由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度[16]。

综合以上因素，在本设计中，选用中心频率为1MHz的探头，入射角为45°。

4.2超声波发射/接收电路

多脉冲法超声波发射/接收系统硬件逻辑框图如图4.1所示。

单片机系统发出发射启动信号后，系统时钟同步产生时间计数器清零信号（CLR）和超声波发射电路驱动信号（TRIG）时间计数器对系统时钟计数，发射启动信号输出后单片机系统通过软件延时输出阈值，接收到的超声波信号送选频频率为1MHz的选频放大器后在阈值逻辑中与阈值比较，若大于或等于阈值则产生关闭时间计数器信号（CLOS）同时通过或门产生中断请求信号，若小于阈值，时间计数器会产生溢出信号，它也能通过或门产生中断请求信号，并通过相应的计数器溢出端子，提供软件检测。

至此，从硬件逻辑角度完成了一次发射到接收的过程。

在设计中，设计的发射和接收电路都分别只有一个，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，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响[17]。

图4.1发射∕接收系统硬件逻辑框图

4.2.1超声波发射电路

接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号，由于使用收发共用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。

超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型，窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。

从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。

这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。

由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此，开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现，此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。

而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。

谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。

在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图4.2所示。

单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器发出超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。

图4.2超声波发射电路

4.2.2超声波接收电路

发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。

为了实现高精度的测量在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。

⑴放大电路

通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般ADC需要采样的信号的幅值为5V，所以必须对它进行放大。

放大电路采用三级放大第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节AD603控制端