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

目录

1 绪论 (1)

1.1 超声波流量测量技术发展概述 (1)

1.2 常用流量计类型和性能比较 (2)

1.3 超声波流量计的特点和用途 (3)

1.4 超声波流量计 (3)

1.4.1 多普勒超生波流量计 (4)

1.4.2 时差法超生波流量计 (4)

2 超声波流量计原理 (5)

2.1 超声波简介 (5)

2.1.1 超声波的频率 (5)

2.1.2 超声波的发生 (5)

2.2 研究超声波流量计测水量需用：时差法 (5)

3 时差法超声波流量计的总体设计 (7)

3.1 流量计设计参数 (7)

3.2 换能器的安装 (7)

3.3 测量原理 (8)

3.3.1 声学原理 (8)

3.3.2 测时原理 (9)

3.4 系统硬件框图 (11)

4 时差法超声波流量计的硬件设计 (13)

4.1 超声波换能器的选择 (13)

4.2 超声波发射/接收电路 (13)

4.2.1 超声波发射电路 (14)

4.2.2 超声波接收电路 (15)

4.2.3 采样保持电路 (18)

4.2.4 电压比较电路的设计 (20)

4.2.5 切换控制电路 (21)

4.3 信号采集及控制电路 (21)

4.3.1 从单片机的选取 (21)

4.3.2 电路设计 (22)

4.4 信号处理及人机接口电路 (22)

4.4.1 主单片机系统方案 (22)

4.4.2 数据存储电路 (24)

4.4.3 键盘电路 (24)

4.4.4 时钟电路 (25)

4.4.5 液晶显示电路 (26)

4.4.6 与从单片机通信接口 (27)

4.4.7 与PC机通讯接口 (28)

4.5 硬件抗干扰设计 (29)

4.5.1 干扰的来源 (29)

4.5.2 抗干扰措施 (30)

5 时差法超声波流量计的软件设计 (31)

5.1 主单片机软件设计 (31)

5.2 从单片机部分软件设计 (32)

5.2.1 从单片机软件流程图 (32)

5.3 单片机软件抗干扰措施 (33)

5.3.1 数据采集误差的软件对策 (33)

5.3.2 控制状态失常的软件对策 (33)

6 系统误差分析 (34)

6.1 系统误差分析 (34)

6.1.1 误差基本理论 (34)

6.1.2 误差产生因素 (35)

7 结论 (40)

参考文献 (41)

致谢 (43)

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f 2将比原发射频率f 1略高其差△f 即多普勒频移，可用(1-1)式表示：

2112vcos f=f -f =

f c θ (1-1) 平均流速为(1-2)式

1c v=f 2f cos θ

(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/t

1

（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/t

2

（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/t

l -L/t

2

= L（t

2

-t

l

）/t

l

t

2

（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（t

2-t

l

）/2t

l

t

2

cosθ（2-4）

式中θ——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t

l 和t

2

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