时差法超声波流量计
超声波流量计原理：时差法
超声波流量计: 超声波流量计 信噪比
II. 信噪比 (SNR)
S = 在流体中传播的信号 N = 在管壁内传播的“短路”噪声 在管壁内传播的“短路” • 为了完成优良的测量，要求 为了完成优良的测量， S >> N 或 SNR >> 1. • 高压有助于提高信号 S. • 良好的垫片将减小噪声 N. Pmin (barg)* 气体 N2 H2 SNR ≈ 1 2 7.5 SNR ≈ 4 4 30
层流 过渡流场 湍流 = 0.75 ≈ 0.85 = 0.91 - 0.99
GE Panametrics
kRe =
注释： 注释：
1 1.119 − 0.011 log R e
运动粘度 v变化 10倍导致流量 <1% 的变化。 的变化。
V = 10 m/sec 及内径 (ID) = 6” v = 10×10-6 v = 100×10-6 × × Re = 0.15×106 Re = 0.015×106 × × kRe = 0.932 kRe = 0.922
tup > tdn ∆ t = tup − tdn
超声波流量计原理： 超声波流量计原理：时差法
流体流速
GE Panametrics
V Η
C2 ×∆t 2L
体积流量测定
θ P
L
V
Q = 流速 × 横截面积 Q = V×A 声速
tup = tdn =
P c -Vsin θ P c+Vsin θ
c=
P tavg
超声波流量计: 超声波流量计 Re修正 修正
修正系数
GE Panametrics
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
提升时差法超声波流量计精度的方法包括但不限于以下几点：
1. 选择合适的换能器：换能器的性能对于流量计的精度至关重要。
选择具有高频、低噪声和高灵敏度的换能器可以提高流量计的精度。
2. 正确安装换能器：确保换能器安装在管路上，使得超声波的传输路径与流体流向垂直。
如果安装不正确，可能会影响超声波的传输，从而导致测量误差。
3. 流体特性分析：了解流体的物理特性，如密度、声速和粘度等，可以帮助调整流量计的参数，从而提高测量精度。
4. 环境因素控制：温度、压力和振动等因素可能会影响超声波的传输和接收，因此需要对这些因素进行控制或补偿。
例如，可以对温度和压力进行测量并补偿到流量测量中。
5. 信号处理和算法优化：改进信号处理技术和算法可以减少噪声和其他干扰的影响，从而提高测量精度。
例如，可以采用数字滤波器、信号增强技术和先进的信号处理算法等。
6. 定期校准和维护：定期对流量计进行校准和维护可以确保其准确性和可靠性。
这包括检查换能器的状态、清理管路和检查连接等。
7. 培训和技术支持：提供适当的培训和技术支持可以帮助用户更好地理解和使用流量计，从而提高其测量精度。
以上方法仅供参考，具体实施还需要根据实际情况进行调整。
时差法超声波流量计原理
时差法超声波流量计原理一、引言时差法超声波流量计是一种常用的非接触式流量计，它利用超声波的传播速度和反射原理来测量流体的流速和体积流量。
该技术在石油、化工、冶金、电力等行业中得到广泛应用，本文将详细介绍时差法超声波流量计的原理。
二、超声波传播原理超声波是指频率大于20kHz的高频声波，其传播方式与普通声音不同。
普通声音是通过空气分子振动相互传递的，而超声波则是通过物质内部介质中分子振动相互传递。
当超声波遇到介质边界时，会发生反射和折射现象。
三、时差法原理1.单向测量在单向测量中，发射器向下游方向发射超声波信号，经过液体后被接收器接收到。
此时液体处于静止状态，信号从发射到接收所需时间为T1。
当液体开始流动时，信号在液体中传播所需时间变为T2。
由于液体的流速可以通过T1和T2之间的时间差来计算出来，因此时差法超声波流量计可以用来测量单向流动的液体的流速和体积流量。
2.双向测量在双向测量中，发射器和接收器分别位于管道两端，发射器向上游方向发射超声波信号，经过液体后被接收器接收到。
同时，发射器也会向下游方向发射超声波信号，经过液体后被另一个接收器接收到。
此时液体处于静止状态，信号从发射到接收所需时间为T1。
当液体开始流动时，由于上下游方向的超声波传播速度不同，信号在液体中传播所需时间变为T2和T3。
由于T2和T3之间的时间差可以用来计算出液体的平均流速和体积流量。
四、应用场景1.石油行业：时差法超声波流量计可以用来测量石油、天然气等介质的流速和体积流量。
2.化工行业：时差法超声波流量计可以用来测量各种化工介质的流速和体积流量。
3.冶金行业：时差法超声波流量计可以用来测量冶金行业中的各种液态金属的流速和体积流量。
4.电力行业：时差法超声波流量计可以用来测量各种液态介质在电力输送管道中的流速和体积流量。
五、总结时差法超声波流量计是一种常用的非接触式流量计，它利用超声波的传播速度和反射原理来测量液体的流速和体积流量。
时差法超声波流量计的原理和设计
时差法超声波流量计的原理和设计王润田1 引言超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。
和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。
近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。
作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。
本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
2时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。
他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。
由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td 之间的差为：式中X 是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。
即：上式可简化为：也就是流体的流速为：由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q 可以表示为：24D Q Vdt π=⎰3 时差法超声波流量计的设计图2是我们设计的超声波流量计的原理框图。
图中主要有两个超声波发射单元、一个时间测量单元和一个控制器。
时差法超声波流量计设计与研发
时差法超声波流量计设计与研发一、本文概述随着现代工业和科技的飞速发展，流量测量技术在各种工程和科学研究中扮演着越来越重要的角色。
超声波流量计作为一种非接触式的流量测量设备，因其高精度、宽测量范围和良好的适应性而受到广泛关注。
时差法超声波流量计是其中的一种，它利用超声波在流体中传播的速度差异来测量流量，具有测量准确、安装简便、维护成本低等优点。
本文将对时差法超声波流量计的设计与研发进行详细的探讨，旨在为读者提供全面的技术理解和应用指导。
本文首先介绍时差法超声波流量计的基本原理和工作机制，为后续的设计研发提供理论基础。
接着，详细阐述流量计的设计过程，包括硬件设计、软件设计和系统设计等方面，突出设计的创新性和实用性。
同时，结合实际应用案例，分析流量计的性能表现和优缺点，为进一步优化设计和提升性能提供依据。
在研发方面，本文重点介绍时差法超声波流量计的关键技术突破和创新点，如信号处理算法的优化、传感器技术的改进等。
还将探讨流量计在实际应用中的稳定性和可靠性问题，为产品的市场推广和应用拓展提供支持。
通过本文的研究，旨在推动时差法超声波流量计技术的进一步发展，为流体测量领域的科技进步做出贡献。
也为从事相关研究和应用的技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、时差法超声波流量计的基本原理时差法超声波流量计是一种基于超声波在流体中传播速度受流体流速影响原理的流量测量仪表。
其基本原理是利用超声波在流体中顺流和逆流传播时，因流体流速的存在而产生的传播时间差来推算流体的流量。
在时差法超声波流量计中，一般设有一对或两对超声波换能器，它们分别被安装在被测流体管道的两侧，或者对称安装在管道的同一侧。
一对换能器中的一个作为发射器，另一个作为接收器，它们之间的超声波传播路径与流体流动方向平行。
当流体静止时，超声波从发射器传播到接收器的时间是一个固定值。
但当流体流动时，超声波的传播路径会受到流体流速的影响，导致传播时间发生变化。
具体来说，当超声波顺流传播时，由于流体的推动作用，超声波的传播速度会加快，因此传播时间会变短；而当超声波逆流传播时，由于流体的阻碍作用，超声波的传播速度会减慢，因此传播时间会变长。
超声波流量计技术参数
超声波流量计技术参数
1. 测量原理: 超声波时差法
2. 测量介质: 液体（包括清水、污水、油等）
3. 测量范围: 0-9999 m³/h
4. 精度等级: ±0.5%、±0.2%、±0.1%（可选）
5. 频率范围: 1-1000 kHz
6. 工作温度: -40℃ 到+160℃
7. 工作压力: 0.6 MPa 到 4.0 MPa
8. 输液管道尺寸范围: DN10-2000（可定制）
9. 接口类型: 法兰、螺纹（可定制）
10. 电源电压: 24V DC、220V AC（可选）
11. 通信接口: RS485、HART、Modbus等
12. 显示屏类型: LCD、LED（可选）
13. 抗干扰能力: 能有效抵抗电磁干扰、震动干扰等
14. 自检功能: 自动检测传感器和电路状态，确保准确度和可靠性
15. 报警功能: 可设置上下限报警值，超过范围时自动报警
16. 数据记录功能: 可记录最近一段时间的流量数据，并提供数据导出功能
17. 防护等级: IP65以上，具有防尘、防水能力
18. 安装方式: 直连安装、插入安装、侧装安装等
19. 使用寿命: 长达10年以上
请注意，以上参数仅为示例，实际产品参数可能根据设备型号和厂家不同而有所变化。
时差式超声波流量计
时差式超声波流量计
OMEGA FDT-30系列
•外壳紧凑
•大数字显示屏
• 4 ~ 20 mA、TTL和涡轮模拟输
出
•流速和累加流量显示
•适用于洁净液体
FDT-30系列流量计可夹装在现有管路系统外部，实现方便且成本低廉的安装。
非侵入式时差系统可以让固体通过管路，而不会对流量计产生任何影响。
无需Y 型过滤器或过滤设备。
测量包含夹杂气体的液体时可获得更高的精度。
FDT-30系列流量计将自动校正显示的流速和电子输出。
可通过4 ~ 20 mA输出以及TTL 脉冲输出或与液体流速成比例的模拟涡轮流量计输出与数据收集系统直接交汇。
专门设计用于在液体状态易于损坏或妨碍机械式流量计工作的情况下替代机械式流量计。
无需保养。
FDT-30系列流量计可在井水及含有适量悬浮固体或气体的其它液体等应用场合中使用。
FDT-30系列流量计的外壳适合户外安装。
一体化安装传感器可用于直径为50 mm (2")及更小管路。
时差法超声波流量计
sin 0
C0
sin 1
C1
sin
C
C sin 0 arcsin( ) C0
C 0 和 0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θ进行修正了。
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，
3、噪声法 4、相关法
三、时差法原理
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。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。
Q v S
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。
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28.7°～60°，我们选取入射角为45°。
从单片机选取
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。
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时差法超声波流量计1 引言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。
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。
2 超声波流量计分类根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。
2.1 多普勒法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。
其工作原理如图1所示。
图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。
根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为：)sin 21()sin 1()sin 1(02012Cu f C u f C u f f βββ-≈-=-= (1) βsin 2)(020f Cf f u -=(2)多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。
2.2 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。
其测量原理如图2所示。
图2 波束偏移法原理图Fig.2 Theory of beam-excursion approach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 时差法原理3.1 时差法时差法超声波流量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。
基本原理如图3所示。
图3 时差法工作原理图 Fig.3 Theory of transit-time method超声波换能器A 、B 是一对可轮流发射或接收超声波脉冲的换能器。
设超声波信号在被测流体中的速度为C ，顺流从A 到B 时间为1t ，逆流从B 到A 时间为2t ，外界传输延迟总时间为0t 。
则由几何关系可知01sin cos /t v C d t ++=θθ(3)02sin cos /t v C d t +-=θθ(4)由于2C >> θ22sin v ,则222212tan 2sin tan 2C dv v C dv t t t θθθ≈-=-=∆ (5) t d C v ∆=θtan 22(6)3.2 流速分布修正在上文的讨论中，我们提到的流速V 都是理想状态下的截面平均流速。
在实际中，由于流速分布不均匀，需根据流体力学原理加以修正。
v n nv Kv 1221+==(7)nn K 212流量修正系数+=其中n 是和雷诺数(Re)相关的值。
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。
表1 n 与Re 关系Tab.1 The relationship between n and ReRe 4.0×10^32.3×10^4 1.1×10^5 1.1×10^6 >2.4×10^6n2.02.67.08.810.03.3 折射角θ修正θ角随声速C 的变化而变化，而C 又是流体温度的函数。
因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。
可通过修正C 的大小从而实现对θ修正，下文通过算法消去C ，从而避免修正问题。
4 总体设计4.1 换能器安装对于时差法流量计来说，通常有三种不同安装形式：平行式、Z 型、V 型图4 换能器安装位置Fig.4 The installation of ultrasonic transducer本设计中，我们的换能器将采用V 字型安装，这样既可以提高系统的分辨率、方便安装，让超声波在管壁对侧反射一次的方法又可以增加路径长度、减少流速断面分布不均匀的误差。
图5 基本声学原理图 Fig.5 A coustic principium由图5及前面讨论可知1cos /2sin t d v C θθ=+ 2cos /2sin t d v C θθ=- (8)θ2sin )(22112t t t t d v -=(9)式(8)中两式相减消去C,得到式(4-3),从而避免了温度影响问题。
由于超声波速度远大于流速，一般△t 很小，对系统时钟要求较高，难以实现。
从而采用多脉冲计数法提高测量精度，降低硬件要求。
具体原理如图6所示。
图6 多脉冲法原理图 Fig.6 Multi-beams of ultrasonic取足够多次数N 次以后的顺逆流时间s t 和r t 。
由式(11)得到时间差△t 。
11)(Nt i t t Nis +=∑= 21')(Nt i t t Nir +=∑= (10)由于外界传输时间2t =1t ，所以Nt t t t t sr -=-=∆)(12 (11) 5 硬件和软件设计5.1 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。
图7 系统硬件结构框图Fig.7 Hardware structure of the system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。
5.2 系统软件设计主、从单片机程序设计否是否 是是图8 主单片机程序框图 图9 从单片机程序框图 Fig.8 Flow chart of the main MCU Fig.9 Flow chart of the vice MCU6 结论超声波流量计由于其独特的优点在工业界获得了广泛的应用，但由于其自身特性还存在精度不高、易受影响、可靠性较差等缺点。
本文在传统测量方式基础上进行改进、优化计算方式，设计了一种基于多脉冲的时差法流量计，对具体算法改进、硬件平台和软件实现进行了说明。
经过部分实验性验证，证明了此方法的可行性，达到设计要求开始 首次运行初始化 参数设置安装调试开始测量/显示键盘中断键盘中断服务子程序开始 接收参数及存储接收测量命令测量顺/逆流传播时间测量数据的检验和发送 测量结束 结束参考文献：[1] 兰纯纯.时差法超声波流量计的研究[D].重庆:重庆大学,2006[2] 李志军,赵刚,赵连环,王庆山.基于DSP的时差法气体超声波流量计的设计[J].仪表技术与传感器,2014,(3)[3] 王清伟,邱俭军.一种提高超声波流量计测量精度的补偿算法[J].声学与电子工程,2009,(3)[4] 牛朋恩,薄秀江,程浩.时差法超声波流量计原理及应用案例[J].自动化应用,2011,(6)[5] 胡天浩.浅谈超声波流量计[J].油气井测试,2003,(4)[6] 陈洁,陈玉红.单片机控制技术快速入门[M].北京,中国电力出版社,2015[7] 霍晓丽,刘云朋.单片机原理与应用：C语言版[M].北京,清华大学出版社,2015[8] 王池.我国流量计量发展现状[J].现代计量测试,2000,(2)[9] 李芳,冯永葆等.超声波流量检测误差的流体力学修正研究[J].机床与液压,2005,(8)[10] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社.2001[11] 王幸之,钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.2004[12] T.T.Yeh and P.I.Espina,An Intelligent Ultrasonic Flow Meter for Improved Flow Measurement and Flow Calibration Facility[J].IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,2001,(23)[13] Brassier P, Hosten B, Vulovic F. High-frequency transducers and correlation method to enhance ultrasonic gas flow metering[J].Flow Measurement and Instrumentation,2001,(12)[14] 鲍敏.影响气体超声波流量计计量精度的主要因素研究[D].杭州:浙江大学,2004[15] 梁晋文.误差理论与数据处理[M].北京:中国计量出版社,2001[16] 沙定国.误差分析与测量不确定度评定[M].北京:中国计量出版社,2003[17] 宁晨.超生信号检测与处理在流量测量中的应用[D].合肥:中国科学技术大学,2003[18] 王朝晖,于佰俭.流量测量新技术-----非接触测量[J].石油库与加油站,2004,(8)[19] 陈隆道,许昌,周箭.智能仪器的双CPU技术[J].电测与仪表,1998,(1)[20] 杨振江等编著.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001。