1、时差法超声波流量计4总体设计3时差法原理21概述及超声波流量计简介超声波流量计分类目录录5硬件、软件设计6实验研究一、概述及超声波流量计简介 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。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。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。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计量仪表。凭
2、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。随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。ARC(Auotmation Research Corp)2001年给出2001-2005年超声波流量计的年复合增长率（CompoundAnnualGrowthRate,CARG）为10.5,远远高于其它流量计的增长率。特点：可作非接触测量适用于大型圆形管道和矩形管道对介质几乎无要求二、超声波流量计分类1、多
3、普勒法多普勒效应 多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。)sin1(01Cuff)sin1(12Cuff)sin21()sin1(0202CufCuffsin2)(121fCffu2、波束偏移法 波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因 此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。3、噪声法4、相关法三、时差法原理流量流量单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量
4、。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。SQv超声波特性超声波特性超声波通常指频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们只以水为介质进行分析。超声换能器的结构及原理超声换能器的结构及原理 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。时差法时差法超声波流量
5、计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。01sincos/tvCdt02sincos/tvCdt222212tan2sintan2CdvvCdvttttdCvtan22vdQ422tan2Cdvt流速分布修正vnnvKv1221nnK212流量修正系数雷诺数（Re）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体流动状态的一个判断依据。折射角修正角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数。因此，必须对角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。CCCsinsinsin1100)sinarc
6、sin(00CC 和 为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。这样就可以通过修正后的C对进行修正了。0C0四、总体设计换能器安装本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、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，sincos/21vCdtsincos/22vCdttdCvtan421cos/2sintdvC2cos/2sintdvC2sin)(22112ttttdv测时原理假如所测管径为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度1450m/s；发射角为45。当流体流速为v=1m/s时：t19
7、7.484s，t297.579s，t95ns。如果要求系统测量精度为1，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时。这样高频率时钟电路和计数电路都难以实现。110)(NtittNis210)(NtittNirNtttttsr)(12系统硬件框图主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。五、硬件、软件设计超声波换能器的选择1、频率：用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz2MHz。超声波的频率越高，分辨力也越好。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
8、衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。我们选用中心频率为1MHz的探头。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，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角位于第一临界角和第二临界角之间，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28.760，我们选取入射角为45。发射和接收电路通过继电器进行顺、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。超声发射电路
9、采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，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射超声波，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。A/D转换器A/D转换器选用TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器，有11个模拟输入通道，内部固有的采样与保持，在整个温度范围内有较小的转换误差。TLC1543是美国TI公司生产的采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。经过A/D转换器得到的信号峰值电压数值通过串口送到微处理器保存起来。从单
10、片机选取从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命令，使测量模块的各部分协调工作，同时又要向主单片机回送测量数据和该部分的状态信息。考虑到性价比，我们选择了ATMEL公司的AT89C51，它是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，其指令系统与8051完全兼容。外围电路采用74LS245驱动74LS196计数器计数。74LS245是我们常用的芯片，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。既可以输出，也可以输入数据。74ls196是 二-五-十进制计数器（可预置）。采用多片级联增加计数范围。信号处理及人机接口电路用ATMEL的89C52单片机作为该部分的核心。89C52
11、是一款8位的单片机，程序和数据线为16位，即可寻址64K的程序和数据空间，它内部集成了256Bit的RAM和8K的ROM。数据存储超声波流量计作为仪表，必须需要及时的对测量结果流量或者流速的数据进行存储，还要存储流量计的各种参数，选用Flash存储器AT29C010A芯片作为本系统的存储器。AT29C010A是一种5V在线闪速可电擦除的存储器，具有掉电保护功能，具有大容量、小扇区，操作速度快，电路设计灵活，无需在数据写入前进行预擦除等优点。键盘电路时钟电路时钟电路是提供系统时钟的，而且为了进行流量的计算，单片机必须定时的从单片机中读取流速，以进行累计流量的计算，考虑到掉电的原因，不能使用89C
12、52内部的定时器，因此，我们选用DS12887实时时钟芯片。能在断电情况下运行10年以上不丢失数据。液晶显示电路大多数的单片机系统常采用以下三种显示器：CRT屏幕显示器、LED七段显示器或液晶显示器。本系统采用液晶显示屏MGSL-240128T进行流量计各种参数、流速、流量、累计流量、工作状态等的显示。主从单片机通信连接采用总线方式连接主从单片机，采用总线方式实现双CPU系统又可分为串行和并行总线两种，串行总线连接简单，数据传送速度很慢，只适用于相互间交换数据不多的系统；而使用并行总线传输数据的速度比串行方式要快得多，只是要占用单片机的一个并行口，作为并行通信总线，在本设计中采用并行总线方式。
13、主单片机软件设计从单片机部分软件设计六、实验研究时差法超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关，所以，在完成主体硬件软件设计后，我们对从单片机部分的时间测量部分进行了试验性验证。静止的水中，超声波的顺、逆流传播时间应该是相等的，即应该存在ts=tr,也就是t0。实验结果我们改变换能器T1、T2之间距离L，分别测量了距离为20cm、25cm、30cm、50cm、80cm、100cm时ts和tr的测量值，每个距离记录五组数据。（ts、tr、t单位均为s；温度为30）结果分析从实验的结果来看st与nt不是完全相等，差值在02s之间，这是因为噪声的存在，包括电路的延迟、以及系统硬件性能等造成的。在测量中，最大的相对误差e为0.2，远小于1。所以，实验结果表明本设计在超声波传播时间的测量精度上已经达到了我们的设计要求。谢谢
