时差法超声波流量计_2006_硕士论文-
时差法超声波流量计的原理和设计
射体 散 射 的 超 声波 多 普勒 频 移 来确 定 流 体 流 量 的 ． 多普 勒 效应 法 需 要流 体 中含 有反 射 物 质 ．适 用 于含 悬 浮 颗 粒 、 气泡 等 两 相 流体
流 量测 量 。 相 关法 是 利 用相 关 技术 测 量 流量 ，原 理 上 ．此法 的测 量 准 确 度 与流 体 中的 声速 无 关 因而 与 流体 温 度 浓 度 等 无 关 ． 因而 测 量 准确 度高 ．适用 范围 广 。但相 关器 材价 格 贵 ．线 路 比较 复杂 。
原 理 、 结 构 和 特 点 ， 设 计 了 具 体 的 实 现 过 程 ， 最 后 给 出 了使 用 时 需 要 注 意 的 事 项 ， 以推 广 和 普 及 超 声 波 流 量
计量技术 。
■臣Ｅ
超声波流量 计；时差法 ；原理 ；设计实现
概 述
流 量 计 包 括 机 械 式 和 非 机 械 式 两 大 类 ．机 械 式 又 分 为旋 翼 式 、螺 翼式 、涡 轮 式等 ．非 机械 式 可 分 为 超声 波 式 、 电磁 式 涡 街 式 等 几类 。机 械 式 流量 计 由 于成 本 较低 得 到 了普遍 应 用 ，但 是 管 路 中 的杂 质 、水垢 容 易 造 成运 行 数 据 不准 ．堵 塞 等现 象 ，虽 然 加 装 滤 网和 磁 性 过 滤器 可 以滤 除较 大 颗粒 杂质 及 磁 性物 质 但 是
体 温 度 变化 带 来 的 误差 ，准确 度 较 高 所 以被 广 泛 采 用 ，本 文 详 细 介绍 时 差法 。
超 声 波流 量 计 主 要用 于 气体 、液 体 、标 准 计 量 等 领 域 有 着 广 泛 的应 用 ，
时差 法 实 际上 是 将 超声 波 传播 速 度 和 液体 流 速 进 行 矢 量叠 加
基于时差法的气体超声波流量计的设计
２３ ＿通信接 口 本 系统通 过带并 行总线 的 Ｕ Ｂ接 口器件 Ｐ Ｉ Ｓ Ｄ１ Ｓ Ｄ Ｕ Ｂ ２实现 与上位 机 的通信 。Ｐ Ｕ Ｂ ２ ＤＩＳ Ｄ１ 所具 有的低挂起 功能连 同 Ｌ ｚＣｏ ｋ 出可 以 ａｙ ｌｃ 输 满 足使用 ＡＣ Ｉ ｎ Ｗ和 ＵＳ Ｐ ＮＯ Ｏ Ｂ电源管理低 操作功耗 的要求 ， 以应用 可 于使用 总线供 电的外设 。系统 的Ｕ Ｂ 口原理图如图 ３ 示。 Ｓ接 所
图２ 单声道超声波发射接 收原理 图
基 金 项 目 ： 文 系南 通 市 科 技 应 用 研 究计 划 项 目（ ２ １０ ５ Ｂ ２ １０ ２ 。 本 Ｋ ００ １ ， Ｋ ０ １１ ）
作者简介 ： 季浚涛（９ ４ ） 男， １５ 一 ， 江苏南通人 ， 工程师， 究方 向为电子、 研 电气 系统设 计与产品质量检 测
０ 引 言 ．
超声 波是振 动频率 高于 ２ ｋ 的机 械波 ， ０ Ｈｚ 振动频率 高 ， 长短 ， 波 具 有柬射 的特性 ， 以定 向传播 ， 可 具有 较强的穿透 能力 。利 用流体流动 时对超声 波束的作用来测量流体 流量的仪表就是超声波流量计 。超声 波流量测 量技 术在医疗 、 海洋观测 、 河流特别是工业管道等流量 测试 中 有着广 泛 的应用 ， 它不但 可以用 于液 体 、 固两相流 的测量 ， 液 而且可 以 用于气体 流量 的测量 。近年来 ， 高速数字信号处理技术 的发展使气体 超声波 流量测量速发展 。 本 文研制夹装便 携式 时差法气 体超声波 流量计系统 ， 应用 Ｄ Ｐ Ｓ 数 字信 号处理芯片 作为流量计 硬件 电路 的核心部件 ， 结合数 字信号处理 技术对超声波信号进行处理 ， 测量气体 的体积 流量。 １气 体 超 声 波 流 量 计 设 计 总 述
超声波流量计中相关时差法的应用
超声波流量计中相关时差法的应用陆敏恂;朱列铭;周爱国【摘要】介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.%This paper introduced a time-different ultrasonic flow measurement algorithm based on cross correlation theory. The system arranged ultrasonic transducers like the arrangement of the time difference method flowmeters, and collected stationary fluid condition and flowing fluid condition of echo signals in two groups. By calculating the correlation function peak of the two echo signals ,it obtained the time difference,indirectly gained the flow of wind, which can improve the accuracy of the transit time difference accuracy. The application of polarity correlation algorithm can greatly improve the system operation speed and improve performance of real-time property. By using pseudo-random signal as the ultrasonic excitation signal, the algorithm overcomes the shortcomings of small measurement range, and improve the system accuracy. Experiments show that the system is of high precision, and good realtime property.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P105-107)【关键词】超声波;流量计;相关时差法;伪随机信号;极性相关算法;MATLAB【作者】陆敏恂;朱列铭;周爱国【作者单位】同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP2161 相关时差算法原理1.1 相关时差法测量模型相关时差法声路布置位置有多种，如X型，V型等。
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。
基于时差法和tdc-gp2的超声波流量测量方法
基于时差法和tdc-gp2的超声波流量测量方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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时差法超声波流量计的工作原理
时差法超声波流量计的工作原理Ultrasonic flow meters are widely used in various industrial applications to measure the flow rate of liquids. 时差法超声波流量计是一种常用的流量测量工具，它被广泛应用在各种工业领域。
The principle of operation of a transit-time ultrasonic flow meter is based on the measurement of the time it takes for an ultrasonic signal to travel a known distance with the flow of the liquid and against the flow of the liquid. 时差法超声波流量计的工作原理是基于测量超声信号在已知距离内通过流体的时间和逆流体的时间。
When the ultrasonic signal is sent in the direction of the flow, it moves faster as it is carried by the flow of the liquid, and when sent against the flow, it moves slower. 当超声信号沿着流向传播时，它会随着流体的运动而加速传播；当超声信号逆流传播时，传播速度会减慢。
By comparing the time it takes for the ultrasonic signal to travel in both directions, the flow meter can calculate the velocity of the liquid and, using the cross-sectional area of the pipe, determine the flowrate. 通过比较超声信号在两个方向传播所花费的时间，流量计可以计算出流体的速度，并利用管道的横截面积来确定流量。
北京科技大学科技成果——时差法超声波流量计
北京科技大学科技成果——时差法超声波流量计
项目简介
超声波流量计采用先进的“时差法”测量原理对管道中纯净液体（<10%）的流动方向和实际流量进行精确测量。
利用超声波脉冲在通过液体顺逆两方向上传播速度之差，来求圆管内液体的流量。
这种测量只需要管道外壁进行测试，因此不影响管道的正常运行。
使用这种仪器，只需输入管道参数（外径、壁厚、管材及液体温度等），就可测出流速、流量及累积流量。
技术水平
目前国内外超声波流量计研制的厂家有4-5家，但是其技术水平与国外相比，在探头设计上，还差别较大，表现在测量信号不稳定，以及处理复杂回波信号时，对波形的分析不够透彻，因此该类仪器在强干扰和大量程的场合，几乎还是进口产品的天下，我们设计的全系列超声波产品，其探头设计技术水平上，已接近国外同类产品的水平，在工业现场经过了多次的改进后，产品已经成熟。
并在多处工业现场得到了实际的应用，我们独有的超声波回波处理系统在处理工业现场复杂回波方面，有长期的经验。
性能指标
时差法超声波流量测量系统采用单片机设计，具有4-20mA电流输出。
四位数字显示，可显示瞬时流量和累计流量。
具有模拟量、数字量输出。
应用范围
时差法超声波流量测量系统为非接触式流量计，对多种流体的测量。
可广泛应用在冶金、煤炭、电力、石油、化工、粮食等部门。
可按照用户要求提供多种优质超声波探头。
经济效益分析
单台仪表平均成本在4000元左右，而国外同类产品售价均价在20000元左右。
设备投资包括水电等估计在30-50万。
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重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被供水、石油、化工、电力等部门广泛应用。
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。
本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料，选择时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究，并设计了具体的硬件电路，主要工作及创新有：1.研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究；根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了修正，并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式；2.针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响；介绍了几种常用提高超声波测时精度方法的同时，讨论并采用了超声波时差测量的新方法——多脉冲测量法的原理和应用；3.结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析和设计，讨论了器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路；在信号调理上，除了常规的滤波电路外，还采用了自动增益放大电路来提高信号的可靠性；而且，采用主从单片机协同工作的方式，提高了系统的稳定性；在软件方面，给出了系统的软件流程图并较详细地叙述了算法的实现；4.针对流量计的工作环境，对流量计系统的抗干扰性进行了研究，并采取了相应的软、硬件措施；5.对造成超声波流量测量误差的各种因素进行了详细的分析、研究，并应用误差理论，对时差法超声波流量计的各种可能的误差进行了误差分配和合成；对硬件电路和软件进行了试验性的验证，给出了实验结果。
关键词：超声波流量计，时差法，传播时间ABSTRACTUltrasonic flowmeter has been widely used in waterworks,oil industry,chemical industry and electric power plant in virtue of its many advantages,such as non-contact, wide measurement scope,convenience of installation,especially acceptable for measurement of large flow and flow in dangerous environment.However,the ultrasonic flowmeter develops just some ten years,and has some disadvantages,thus it is necessary to make modification and advance.After deep market investigation and many references about the ultrasonic flowmeter,we choose time-difference-type ultrasonic flowmeter for our study objects. The article makes deep theoretical research on the problem of improving accuracy, stability and reliability.In addition,it supplies the designs of circuits.Generally,there are five parts as the following:1.Expouded the principles of some ultrasonic flowmeter,especially about the time-difference-type ultrasonic flowmeter;researched the transducer the propagation character of ultrasonic in fluid.Then the ultrasonic flowmeter was corrected according to the theory of hydromechanics and physics,and calculation formulae of the flow revision coefficient are given under different state.2.On account of the problem that the accuracy of traditional ultrasonic flowmeter is easily influenced by temperature,adopt an improved algorithm which can avoid the influence on accuracy by temperature variation to some extent;introduce several means about precise measurement on propagating time,meanwhile,discuss the theory and application of a brand new measurement method--the multi-beams method deeply.3.Taking the study into consideration,analyze and design the hardware circuit of flowmeter in detail,discuss some technical matters such as chip selection and parameters calculation,design a better matching emitting and receiving circuits,use routine filter circuit and automatic gain control circuit to adjust signal;furthermore, with the help of double MCU,the resist ability of system to disturbing is improved strongly.In software,the soft flow chart of system and the design idea of the system are given.4.Considering the environment the ultrasonic flowmeter worked,the anti-jamming of the flowmeter system are discussed,and the corresponding methods of soft and hardware are adopted to minish or remove the interfere.5.Analyze and study various error source which appear in ultrasonic flowmeter working environment and in installation process.According to the distribution principle which is to stress main errors,compose all possible errors.Keywords：Ultrasonic Flowmeter,Time Difference Method,Travel Time.1.绪论1.1流量计的发展概述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文丘里管测量流量，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。
为满足不同种类流体特性，不同流动状态下的流量计量问题，近30年来，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计，电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。
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％。
但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。
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]。