时差法超声波流量计.

合集下载

超声波流量计工作原理

超声波流量计工作原理根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。

其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。

由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。

其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。

按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。

波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。

相关法是使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。

但相关器价格贵，线路比较庞大。

在微处理机普及应用后，这个缺点能够克制。

噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。

其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

以上几种举措各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情形、管路装置地点以及对测量准确度的请求等因素进行挑选。

一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。

只要在管径很大时才采用直接时差法。

对调能器装置举措的挑选原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不屈行或管路装置地点使换能器装置距离受到限制时，采用V法或X法。

当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克制流速扰动带来的流量测量误差。

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。

时差法超声流量计瞬时流速动态跟踪算法

一
种先进的流量测量方式越来越受到广泛的关注，
１时差法超声流量计原理
但是超声流量计的计量精度和系统稳定性及功耗等主要性能指标一直是众多研发人员热切关注的问题］．
无论是液体还是气体的流体测量，其流速的
所以采样间隔不能太大．在这种低的流速分辨率
传播时间增加，而顺流时的传播速度增加，而传播时间减小，这种情况也就造成顺逆流方向超声波信号传播时间存在一个时差值．而时差法超声流量计就是准确地测定了顺逆流时间，计算出时间差，再根据介质的流速与时差存在一定的线性关系原理，从而求得瞬时流速，进而可以求出瞬时流
关键词：时差法；超声流量计；计量精度；动态跟踪；瞬时流速
中图分类号：ＴＨ８１４文献标志码：Ａ文章编号：１００１．５１３２（２０１４）０１．００２９．０４
在节能减排的社会呼声下，超声流量计作为
差法超声流量计瞬时流速动态的跟踪问题进行探讨，设计出瞬时流速动态跟踪算法．经过实验验证，所设计的动态跟踪算法可以使超声流量计的计量精度提高０．４％左右，重复性提高０．０５％
左右，而系统功耗几乎没有大的变化．
时差法超声流量计工作原理如图１所示＿１】．图中，为流速方向和超声波传播方向的夹角，顺流时６ｃ为锐角，逆流时６ｃ为钝角．众所周知，对于

超声波流量计-百度百科

超声波流量计-百度百科
JK系列超声波流量计/超声波热量表/超声波工业水表通过高精度时间数字转换芯片对超声波传输时间进行测量，有效克服零点漂移、小流量测量误差大等问题；综合利用频差法和时差法，使用实时声速、温度补偿等技术对流量进行补偿；人机接口画面丰富，支持多种通信方式；产品具有稳定性好、零点漂移小、测量精度高、量程比宽，抗干扰性强等特点。

超声波流量计产品特点
1、全系列产品流量测量精度优于1.0级；
2、支持多声道测量，默认为双声道，有效提高了仪表在复杂流体状态中的测量准确性和可靠性；
3、综合采用频差法和时差法测量技术，声速自动补偿，时间分辨率达到45皮秒，有效避免零点漂移，提高了小流量测量精度；
4、支持RS485通信，具有4~20mA变送功能，与企业能源管理系统集成更加方便；
5、支持AC 220V、DC 24V两种电源输入方式；
6、主机与探头类型多样化，可根据现场需求搭配使用，能够满足特殊环境的安装与测量；
7、人机界面丰富，使用操作便捷。

嘉可自动化仪表的超声波流量计产品种类齐全，主要有手持式超声波流量计、便携式超声波流量计、外夹式超声波流量计、插入式超声波流量计、管道式超声波流量计、固定式超声波流量计、一体式超声波
流量计、分体式超声波流量计、模块式超声波流量计、超声波工业水表、电池供电型超声波水表、超声波冷/热量表等。

一种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现

ｄｔｃｉｇ，ｔｉｎｗｔｏｄｈｐｅｄｔｍｅｏｌａｏｉｊｓｏｓｓｆｉｔｇａｎｔｆｅｅｔｎｈｓｅｍｅｈｄｍａｅｔｅｓｒａｉｆｕｔｓｎｃｔｃｎｉｔｏｎｅｒｌｕｉｏｒｕｓ
维普资讯
第６卷第３期２００７年６月
江南大学学报（然科学版）自
ＪｕｎｌｏｉｎｎｎＵｎｖｒｉ（ｔｒｌｃｅｃｄｔｎｏｒａｆａｇａｉｅｓｔＮａｕａｉｎｅＥｉｏ）ＪｙＳｉ
ｔａｅｔｅｌｒｓｎｃｌｗｍｅｅ．ＣｏｉｉｇｔｅｔｅｒｆＰｗｉｈｔｅｔｃｎｑｅｏｄｅｒｖｌｉｕｔａｏｉｏｍｆｔｒｍｂｎｎｈｈｏｙｏＬＬｔｈｅｈｉｕｆｅｇ
Ｖｏ．ＮＯ１６．３Ｊｎｕ．２００７文章编号：６１１７２０）３３６４１７ —７４（０７０ —００ —０
一
种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现
郑鹏
，王勇
术浙江杭州３０２）１０７（浙江大学电子信息技与系统研究所，
ＡｂｔａｔＯｎｔａｉｆａａｙｉｈｅｅｒｆｔａｉｉａｉａｕｒｎｔｏｓｒｃ：ｈｅｂｓｓｏｎｌｚｎｇｔｒｏｒｏｒｄｔｏｎｌｔｍｅｍｅｓｉｇｍｅｈｄ，ａｎｅｈｉｈｗｇｐｒｃｓｏｉａｕｒｎｔｄｗａｐｅｅｔｄｏｉｅｉｉｎｔｍｅｍｅｓｉｇｍｅｈｏｓｒｓｎｅｔｍｐｒｖｅｈｅｉｉｎｏｉｅｍｅｓｉｆｏｔｅｐｒｃｓｏｆｔｍａｕｒｎｇｏ

便携式超声波流量计的原理和应用

的累积流量值Ｑ，。同时记录便携式流量计的累积流量值Ｑ，：时间结束后，如果在线流量计测量数据
超差则根据公式：
由⑥式可看出，流体流速Ｖ与频率差ＡＦ有
关，检测出 △Ｆ就可以得到Ｖ。我们检测出流速Ｖ
以后。可以利用公式就Ｑ＝ｖＸＤ／５ … …… …… ……… ……… ⑦ ３４
对未装表计量的管路进行流量测量；一方面，另对已装表计量的管路进行在线流量校验。
０流体流动方向与超声波传送方向的夹角：
Ｖ：ｐ流体流速在超声波传送方向上的分量
ＡＢ两个探头，、成对地安装在管道外壁上，互
为发射和接收超声波，Ａ探头发射，当Ｂ探头接收
其中ｃ为超声波在介质中的传播速度
通过①②式，可计算出：
Ｖ＝Ｄ（２１／ｔ２２ＩＯＯ０ｔ一ｔ）（ｌＳＮＣＳ）ｔＸＤ△ （ｔ２Ｉ２） …… …… … …… （ｌＳＮ０ｔ式中Ａｔｔ一。是超声波逆流和顺流传播的＝：ｔ，
验。ＦＢ型便携式流量计具有以下特点：Ｌ（）体积小，量轻，１重携带方便；（）仪表不与流体直接接触，２不影响管路系
统运行，方便；安装（）数据输入通过人机对话方式进行，作３操方便。
可显示参数，测量结果等，探头安装在管道上用来发射和接收超声波信号。
新的修正值＝（：Ｑ）Ｑ／Ｘ在线流量计的原修正值来对在线流量计进行修正。
４探头安装注意事项

时差式超声流量计新测量方法——环鸣法的研究

Ｂ
ｌ
波传播速度会增大．流方向则会减小．逆同一传播距离就有不同的传播时间利用传播时间之差与被测流体流
／ ÷ ‘
图１时差式量计３作模型－
速之间的关系求得流速．之传播时间法通过接收穿称
提出了新的测量方法— — 环呜法的研究方向
一
、
传播时间法基本原理
封闭管道用超声波流量计按其测量原理分类有传
播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、关法等。相
本文将详细介绍传播时间法超声波在流体中传播时．与声波在静止流体中传播的速度相比，流方向声顺
— ｉ
△ 一￡＝
一
＿＋＿面
４ｖ￣ｏｓ０Ｄｓ３ｎ３２ｃＯｉ
（）２
（）３
和接收的振子．封在换能器的腔体里．辐射面与端面密其
成一个角度（．，体里用透声材料填充。由于换能器中口）腔
声波从换能器Ｔ发出。．经过输液管道另一侧的内壁，反射
州 … （）１
到接收换能器两个换能器也可以固定在输液管道的上
下两侧，波由换能器Ｔ发出，接传播到换能器Ｔ。图声直如１示，所换能器Ｔ、２Ｔ是安放在输液管道的同一侧的。发射
动速度、 — — 液体的声速、一

结构参数对时差法超声波流量计性能的影响研究

２０１４年１月第４２卷第１期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ
Ｖｏ１．４２Ｎｏ．１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００ｌ一３８８１．２０１４．０１．０２５
ＫＵＡＮＧＷｅｉｈｕａ，ＨＵＡＮＧＪｉａｑｉａｎｇ，ＰＡＮＸｕｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＢｉａｏｂｉａｏ
（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＰａｎｙｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１１４８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｅｒｇｙ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）
超声波流量计是通过检测流体流动对超声波束（或超声波脉冲）的作用以测量流量的仪表，具有非接触测量、测量范围宽、安装简便、使用方便、特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被广泛应用于供水、石油、化工、电力等部门。近几年来，

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

t
2dv tan
C2
C2
2d tan t
v n v K 2n 1 2n 1 流量修正系数K 2n
v
1
v
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θ 修正
θ 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θ 角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。
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。
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，
时差法超声波流量计
1 2 3 4 5 6
概述及超声波流量计简介超声波流量计分类时差法原理总体设计硬件、软件设计实验研究
目
录
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。
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。
d / cos t1 t0 C v sin
d / cos t2 t0 C v sin
2dv tan 2dv tan t t2 t1 2 2 2 C v sin C2
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
u sin 2 2u sin f2 f0(1 ) f0(1 ) C C
(f1 f2 ) C u 2f1 sin
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。
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。
2d / cos t1 C v sin 2d / cos t2 C v sin
v
C2
4d tan
t
C v sin
2d / cos
t1
C v sin
2d / cos
t2
2d( t2 t1 ) v t1t2 sin 2
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θ为45°。当流体流速为v=1m/s时： t1＝97.484μs，t2＝97.579μs， △t＝95ns。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。
特点：
①可作非接触测量 ②适用于大型圆形管道和矩形管道 ③对介质几乎无要求
二、超声波流量计分类
1、多普勒法多普勒效应
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。
u sin f1 f0(1 ) C
u sin f2 f1(1 ) C
ts
t0(i ) Nt1
i 1
N
tr
' t 0(i ) Nt2
N
i 1
tr ts t (t2 t1 ) N
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0.5MHz～2MHz。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。