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时差法超声波流量计论文
南开大学滨海学院
本科生毕业论文
中文题目：
超声波流量计的设计
英文题目：
Thedesignofultrasonicflowmeter
学号：
********
******
年级：
2008级
专业：
电子信息科学与技术
系别：
电子科学系
*******
完成日期：
2012年5月
南开大学滨海学院毕业论文诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文，题目《超声波流量计的设计》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明的法律结果。
毕业论文作者签名：
郑尚博2012年5月2日
摘要
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。
意义是使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。
此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。
基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：
①超声波时差法测流量原理研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；
②超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；
③设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；
④设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；
⑤以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。
关键词：
超声波流量计；时差法；传播时间
Abstract
Ultrasonicflowmeteristhroughthetestfluidflowoftheultrasonicbunchof（orultrasonicpulse）roletomeasureflowofmeter,thepurposeistosolvesomedifficultproblemsofmeasurement.Meaningisthatflowmeterswillbeabletoadapttheindustrialfieldenvironment,moreconvenient,economy,measurementaccuracy,anditselfdoesnotdamageeasily,lowpowerconsumption,highreliability.Suchproductsforthedomesticandinternationaladvancedlevel,andcanbewidelyusedinpetroleum,chemicalindustry,metallurgy,electricpower,watersupplyanddrainage,etc.
Basedonthedifficultyandpracticalreasons,thisthesischoosesspreadthemethodoftimedifferenceforresearchsubject,thecomprehensiveabsorbsthedomesticandforeignadvancedultrasonicflowmeasurementtechnology,andonthebasisofthefollowingsomemainworkcompleted:
（1）Ultrasonicapproachtomeasuretimeflowtheoryresearch,thispaperultrasonicflowmetermeasurementaccuracyeasyeffectedbytemperatureproblems,usingtheimprovedalgorithmavoidstheinfluenceoftemperatureonmeasuringaccuracy;
（2）Theultrasoundinfluidintheanalysisofthepropagationcharacteristicsofultrasonicflowmeter,fluidmechanicsanalysisandflowcorrection;
（3）Designsystemcontrolmeasurementcircuits,includingultrasoundcircuit,ultrasonicreceivingcircuit,signalplasticcircuitandcontrolcircuitsystem,andbasedontheinstrumentitselfactualconditionsandtheenvironmentalresearchsuitableforhardwareanti-interferencetechnology;
（4）Theappropriatedesignofcomputersoftwaretotheinstrumenttocontrolandthedataprocessingoperations,takingsuitableonsoftwareanti-interferencemeasures,furtherstrengthentheoperationstabilityoftheinstrument;
（5）Thetimedifferenceinultrasonictestingexperimentforthewholeexperimentresearchfocus,inviewoftheexistingconditionsoftheexperimentalandtheexperimentaldataandresults.
Keywords:
UltrasonicFlowmeter；TimeDifferenceMethod；TravelTime
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第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、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[1]。
早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。
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丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。
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[2]。
第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。
随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。
我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。
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。
1.1.2超声波流量计的意义
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表，目的是解决一些测量困难的问题。
意义是使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确，而且本身不容易损坏，功耗低，可靠性高。
此类产品为国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。
1.2国内外发展现状及应用
1.2.1国内外发展现状
在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。
1931年，O.Rutten发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献[2]。
但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量[3]，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。
1955年，应用声循环法的MAXSON流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量[4]，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广[5]。
60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。
我国超声波流量计的研究起步较晚，60~70年代机械工业部上海工业自动化表研究所、北京大学相继进行超声波流量检测的研究，80年代中期，开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从日本富士电机公司相继引进专用技术，生产具有80年代国际先进水平的超声流量仪表，但是市场基本为国外产品占据[6]。
我国超声波流量计年产量90年代初估计为800～1000台[7]。
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[8]。
1.2.2应用范围
超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的量仪表。
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。
1.3本文主要研究内容
随着国内市场的国际化和WTO的加入，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。
因此，开展高性能流量仪表的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表工业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。
超声波流量计本身也存在许多不足之处，如传统时差法测流受声速影响精度不高，不适合小管径、小流量场合等。
现有国内的大多数超声波流量计虽然价格比外国的便宜，但总体性能较差；而国外的超声波流量计尽管在精度、性能和操作使用方面都优于国内的产品，但因价格昂贵（每台约为5万元左右），也不可能在工业界大量使用。
因此有必要在现有的基础上对超声流量测量技术加以改进和提高，以便在国内推广和使用，这也是本课题的研究目的之所在。
基于难度和可实现性因素的考虑，本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，完成了以下一些主要工作：
①超声波时差法测流量原理研究，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响；
②超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正；
③设计系统的控制测量电路，包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等，并根据仪器本身实际情况和现场环境研究适合于的硬件抗干扰技术；
④设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理，在软件上采取适宜的抗干扰措施，进一步增强仪器的运行稳定性；
⑤以超声波时差检测的实验为整个实验研究工作的重点，针对现有实验条件进行了实验研究并给出了实验数据和结果分析。
第二章时差法超声波流量计概述
2.1流量的基本概念
单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。
流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单位为kg/s[9]。
体积流量Q的计算式为：
Q=vA（2-1）
式中，A为与流速v相垂直的通道横截面积，m2；v为沿通道横截面上的流体平均速度，m/s。
质量流量G的计算式为：
G=ρQ=ρvS（2-2）
式中，ρ为流体密度，kg/m3。
2.2超声波技术概述
由于超声波传播时，其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关，不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度，也影响接收波的强度。
因此，要准确地检测到超声信号并非易事，在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍。
2.2.1超声波的传播特性
1、超声波的传播速度
超声波在水中的传播速度不但温度有关，还受水深h和水中含盐量S的影响，如图2-1所示为水中声速与温度T的关系曲线。
图2-1水中声速与温度的关系曲线
2.超声波的衰减[10]
超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。
造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了，通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子（如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。
因此，超声波在水中传播时会不断衰减，甚至会被噪声淹没。
在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。
2.2.2超声换能器的结构及原理
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为（1～10）μm，但这种振动的加速度很大，约（10～103）g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动能量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图2-2（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图2-2（b）所示。
图2-2压电超声换能器等效电路图
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
图2-3是压电换能器的完整等效电路（电流等效电路图）。
图2-3压电换能器的完整等效电路
图中，Ca——换能器的电容，Ci——前置放大器输入电容，Cc——连接导线对地电容，Ri——前置放大器的输入电阻，Ra——包括连接导线在内的换能器绝缘电阻。
由等效电路来看，压电换能器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联，为保证换能器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电换能器的绝缘电阻应保持在1013Ω以上，这样才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则换能器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。
2.3时差法超声波流量计的基本原理
时差法超声波流量计[11,12]就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测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。
其基本原理如图2-4所示。
超声换能器A、B是一对可轮流发射或接收超声脉冲的换能器，其安装方式采用管外夹装式。
图2-4时差法工作原理图
设超声波信号在被测流体中的声速为C，超声波顺流时从A到B的时间为t1，逆流时从B到A的时间为t2。
由于换能器布置在管外，超声波在换能器和管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，这三种传播时间总称为延迟时间τ0，τ0远小于超声波在流体中的传播时间，则有：
在一般工业测量中，超声波在液体中传播速度（水中约为1450m/s）比液体的流速大得多，即C2＞＞V2sinθ，所以顺逆流时间差△t=t2-t1可以简化为：
因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为：
第三章时差法超声波流量计系统原理
3.1系统的构成和原理
时差法超声波流量计系统由2部分组成：
硬件系统：
超声波换能器，超声波发射/接收电路，信号采集及控制电路，信号处理及人机接口电路
软件系统：
主单片机软件设计，从单片机部分软件设计，单片机软件抗干扰设计。
测量原理如下：
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：
但是，由式（3-4）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：
相减得
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。
如图3-1所示。
图3-1基本声学原理图
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：
由数学知识可以知道：
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。
根据课题的要求以及计算的方便，所测管径的最小值为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为1450m/s；发射角θ为45°。
当流体流速为v=1m/s时：
t1＝97.484μs，t2＝97.579μs，△t＝9.5-2μs
3.2结构框图
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3－2所示。
图3-2系统硬件结构框图
这里大致介绍一下系统的工作过程：
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。
第四章时差法超声波流量计硬件设计
4.1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。
图4-1发射/接收系统硬件逻辑框图
在设计中，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。
4.1.1超声波发射电路
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。
图4-2超声波发射电路
4.1.2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，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。
1、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控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。
2、滤波电路
在超声波接收信号中，往往会掺杂一些干扰信号，在电路设计中，应尽可能将这些干扰信号除去。
但是要完全把干扰信号除掉是不可能的，只能将这些
干扰信号尽可能减小。
因为超声波信号的频率大致为1MHz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器的带宽一般较窄，通常不适用于高频范围，最大在几百千赫兹，且
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