超声波流量计设计.docx

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超声波流量计设计

学号：

***********

湖南理工学院

毕业论文

题目：

超声波流量计的设计

作者：

刘阳届别：

2011级

院别：

机械工程学院专业：

机械电子工程

指导老师：

周红波职称：

讲师

完成时间:

2015.5.10

摘要

超声波流量计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。

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。

本设计与传统的机械式流量仪表不同，它具有机械式仪表所不具备的优点，而且因其采用高精度时间测量芯片TDC-GP2进行时间测量，保证了测量的精度。

本设计采用时差法原理进行测量流体流速，进而计算出瞬时流量。

论文从流量计的发展历史和背景到超声波流量计的原理、特点以及国内外发展概况，详细地介绍了超声波流量计。

另外，论文又详细研究了时差法超声波流量计的理论知识，并在理论基础上研究了超声波流量计的硬件电路与软件部分，其中所用的高精度时间测量芯片TDC-GP2以及单片机STC89C58RD+是本设计的核心部分。

本设计成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，有较广阔的研究前景。

绪论

1.1流量计的发展历史与现状概述

数千年前，人们为了适应水利和农业灌溉的需要，就已经开始关注流量测量的问题。

流量测量作为人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它不仅广泛用于农业和水利，也广泛用于化工、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。

最早的流量测量发生在公元前1000年，古埃及人通过对尼罗河流量的测量来预计当年收成的好坏，古罗马人利用孔板测量的方法在修建引水渠时进行流量测量。

而到目前为止，流量计的发展也有了几百年的时间，早在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，美国人郝谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。

20世纪初期到中期，原有的流量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。

自1910年起，美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计。

1992年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。

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，直到1955年才出现应用声循环法的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量，1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。

由于经济生产落后，直到20世纪50年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。

20世纪60年代以后，随着国际经济和科学技术的不断发展，测量仪表开始向精密化、小型化方向发展。

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。

1.2超声波流量计概述

1.2.1超声波流量计国内外发展概况

超声波是指声音频率高于人耳听觉范围的声波，其频率大于20KHz，与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播，具有很强的穿透能力，在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。

为了消除声速变化对测量精度的影响，频差法超声波流量计应运而生，这种流量计的声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度高，测量范围广，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。

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。

夹持式气体用超声波的管径最大可达到1500mm，最多可以有8声道，精度在0.5%-1%测量值之间。

今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。

我国超声波流量计年产量90年代初估计为800-1000台。

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。

这是我国超声波流量计发展的一个标志。

我国目前的超声波流量计的研制和生产仍然是属于比较落后的，尽管这些年来国外很多大的超声波流量计生产企业纷纷进驻中国市场带动了国内相关领域的快速发展，出现了上文所提到的国内超声波流量计生产厂家，但总体上来讲，我们现有技术和生产水平仍是落后的，与国际先进水平存在较大的差距。

目前国内超声波流量计市场的现状是:

高精度超声波流量计依赖进口，低档产品过剩。

1.2.2超声波流量计的特点

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体介质而言，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几百个大气压，其响应时间从几毫秒到24小时。

和传统的流量计相比，超声波流量计有以下突出的优点：

1.结构简单，安装、使用和维护方便。

超声波流量计可以夹持在管道外侧安装，无需对管道进行改动，这给临时检查管内的流量提供了方便。

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.待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。

这种非接触测量方法无压力损失，不破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。

4.可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟量或数字量输出。

5.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。

6.除测量流速和流量外，与微机联合使用，使其智能化后，可以进行各种管道、流体参数的设置，还可以自动地对流体的其他参数（如成份、浓度、速度}}面等）进行综合测量。

1.2.3超声波流量计的分类

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示两部分组成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。

超声波流量计有多种分类方法，主要有：

（1）按照安装方式分类：

外夹式、插入式、管段式。

外夹式传感器安装时需要将管外壁的拟安装位置打磨光滑后用耦合剂将传感器（探头）贴于管外壁再用专用夹紧装置固定。

该方式能方便地在管外进行水流量测量，也适合便携式。

缺点是易因耦合剂的处置不当引起信号接收状态恶变而影响测量的稳定性。

插入式传感器安装时用钻孔工具在不停产状态下将传感器（探头）插入管路中。

优点是能在水管内壁结垢或水中带气情况下实现稳定可靠的测量。

管段式传感器—安装时需要切开选定的直管段，采用法兰联接。

产品已经过专门出厂标定，好处是传感器可以不停产进行维修，特点是测量准确度高。

（2）按照测量原理不同分类（常用）：

多普勒超声波流量计和时差法超声波流量计。

多普勒超声波流量计是利用相位差法测量流速，即超声波在流体中运动，由于液体本身有一运动速度，导致超声波在接收器与发射器之间的频率或相位发生相对变化，通过测量这一相对变化就可获得液体速度；时差型是利用时间差法测量流速，即超声波传播速度由于流体流动而使得其在接收器与发射器之间传播时间发生变化，通过测量此时间变化就可获得流体流速。

多普勒超声波流量计的原理：

换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2，f2与f1之差即为多谱勒频差

。

设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移

正比于流体流速v，则

当管道条件、换能器安装位置、发射频率和声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。

时差式超声波流量计的原理：

时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。

如下图，换能器1向换能器2发射超声波信号，这是顺流方向，其传播时间为：

反之，逆流方向的传播时间为：

时间差为：

由于c>>v，故

所以，流体流速

其中c、L、θ均为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v进而求得流体流量。

（3）按照使用方式不同分类：

固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。

两者的主要区别如下：

适用场合不同：

固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流体流量作临时测量。

1.3本课题的主要研究内容

本文通过充分调研并查阅大量文献资料，选择基于TDC-GP2时间测量芯片的时间差法超声波流量计，主要研究内容如下：

1.超声波传感器的技术指标及使用方法（拟选择使用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个收/发型超声波探头）；

2.超声波探头的安装方式对比选取（Z型、V型、W型），拟选择V型安装方法；

3.时差法超声波测流量的原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，采用改进型算法将温度影响在理论上消除；

4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满足本设计的所有要求；

5.自检报警模块：

拟采用蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警；

6.数据处理模块：

要求满足不低于B级精度（因选用高精度时间测量芯片TDC-GP2，精度可以满足要求），也可以考虑多组测量之后进行处理，如选择求取算术平均值作为最终测量结果；

7.测量结果显示模块设计：

拟选择LCM液晶模块；

8.各个模块与单片机及TDC-GP2芯片的连接：

单片机控制TDC-GP2芯片，进行适时的时间测量，从而调用数据处理模块进行流量计算，同时调用自检报警模块进行报警，最后调用显示模块进行流量结果显示。

二、时差法超声波流量计的理论研究

2.1流量的基本概念

流量是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。

当流体量以体积表示时称为体积流量；当流体量以质量表示时称为质量流量。

单位时间通过流管内某一横截面的流体的体积，称为该横截面的体积流量。

简称为流量，用Q来表示。

本课题所测为水的体积流量。

体积流量Q的计算式为：

Q=v*A

式中，A为与流体流速相垂直的管道横截面积，单位为

;v为沿管道横截面上的流体平均速度，m/s。

2.2超声波换能器安装方式简介

现在大多数超声波流量计的安装方式均采用夹装式，即将超声波探头夹持固定，安装在被测管道的管壁上，对于单声道的流量计，其仅有两个超声波探头，其安装方式大体可以分为四种，分别为V法、Z法、N法和W法。

（NO低功耗）

图2-1V法安装示意图

V法安装的应用最多，它的特点是使用方便、测量准确，可测管径范围为25mm-3000mm左右。

安装时需要注意两个探头要水平对齐，要求其中