(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920493017.3
(22)申请日 2019.04.12
(73)专利权人 吉林省安全生产检测检验股份有
限公司
地址 130000 吉林省长春市高新开发区硅
谷西街566B号
(72)发明人 谭健一 张瑜 董晓光
(74)专利代理机构 长春市吉利专利事务所
22206
代理人 李晓莉
(51)Int.Cl.
G01F 1/66(2006.01)
G01F 15/18(2006.01)
(54)实用新型名称
超声波流量计探头定位装置
(57)摘要
本实用新型超声波流量计探头定位装置，属
于检测仪器设备技术领域，特别涉及到一种用于
超声波流量计用的辅助定位设备，包括测量轨道
I、测量轨道II、定位带I、定位带II、中部定位管
I、中部定位管II；本实用新型提供了一种超声波
流量计探头便捷定位辅助装置，解决了目前超声
波流量计探头人工探摸定位难，安装复杂，耗费
时间长等不足大大提高了水泵流量参数的检查
效率和准确性。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 210071012 U 2020.02.14
C N 210071012
U
权 利 要 求 书1/1页CN 210071012 U
1.一种超声波流量计探头定位装置，其特征是：包括测量轨道I(1)、测量轨道II(2)、定位带I(3)、定位带II(4)、中部定位管I(5)及中部定位管II(6)；
所述测量轨道I(1)及测量轨道II(2)为带有刻度的长条金属管，且测量轨道I(1)与测量轨道II(2)长度相同；
其中测量轨道I(1)上设置有卡扣，测量轨道I(1)通过卡扣与定位带I(3)连接；
其中测量轨道II(2)上设置有卡扣，测量轨道II(2)通过卡扣与定位带II(4)连接；
其中测量轨道II(2)与定位带II(4)的连接位置和测量轨道I(1)与定位带I(3)连接位置相同；
所述定位带I(3)与定位带II(4)的两端均设置有卡扣，且定位带I(3)及定位带II(4)的数量均为两个；
其中定位带I(3)的两端分别与定位带II(4)的两端卡接在一起；
所述中部定位管I(5)及中部定位管II(6)均为长条形金属条，且其上均带有刻度；其中中部定位管I(5)与定位带I(3)及定位带II(4)一侧的两个连接点连接，中部定位管II(6)与定位带I(3)及定位带II(4)的另一侧两个连接点连接。
2.根据权利要求1所述的超声波流量计探头定位装置，其特征在于：所述定位带I(3)及定位带II(4)均为非弹性带，且其上设置有刻度尺。
3.根据权利要求1所述的超声波流量计探头定位装置，其特征在于：所述测量轨道I (1)、测量轨道II(2)、中部定位管I(5)及中部定位管II(6)表面均设置有防腐蚀油漆层。
2
超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。各种超声波流量计已广泛应用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，例如，在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中。 产品介绍 超声波流量计是采用高集成度FPGA芯片及低电压宽脉冲发射技术设计的一种通用时差型超声波液量计，适用于水的测量 产品特点 超声波流量计除高精度、高可靠性、高性能、低价格的显著特还具有下列优点 1、超大规模集成电路设计。硬件数目少，低电压工作，多脉冲发射，低功耗，高可靠性，抗干扰、适用性好。优化的智能信号自适应处理，用户无需任何电路调整，就像使用万用表一样方便简单。
2、全窗口化的软件设计。通过窗口可方便地设置管径、管材质、壁厚、输出信号等参数或类型。可使用公制或英制单位。 3、日、月、年流量累积功能。可记录前64个运行日、前64个运行月、前5个运行年的累积流量上、断电管理功能，可记录前64次上电、断电时间及上、断电时刻的瞬时流量，并具有自动或手动补加断电时间段内的流量功能。 4、带倍乘因子的机内七位数长的正向、负向及净流量累积器并行工作。 5、探头可以安装在管道的外边，不妨碍管道内流体的流动状况，以减小压力损失； 6、AFTU型-2W,外夹式超声波流量计的价格与管径无关； 7、测量精度与管道口径有关，管径越大有可能得到的精度越高（采用多声段）。 8、方便测量，随时打印数据。 9、机内自带充电电源，便于户外携带、使用。 10、掉电保护功能，在线自诊断功能。 11、测量准确度高，从算法上消除了环境温度对测量值的影响。 12、全中文或全英文显示，液晶显示 13、非接触式测流量方式，体积小，携带方便
基于BP神经网络的超声波流量计的设计 学习调整能力，能够适应动态变化的环境。主要介绍流量测量基本原理、硬件结构以及软件设计，最后通过多种环境下的测试和结果分析，证明了该流量计适应性强、精确度高。关键词：STM32；神经网络；时差法；广义互相关算法 中图分类号：TN926?34；TP311 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2016）16?0006?04 Abstract：A ultrasonic flowmeter taking time?difference method for pipe flow measurement was designed based on the controller STM32. In order to improve the environmental suitability and flow measurement accuracy，the generalized cross?correlation time?delay estimation algorithm based on the BP neural network filtering is applied to time?difference detection. The algorithm filters the mixed noise by combining and optimizing the multiple filters with specific statistical characteristics，has self?learning and self?adjusting ability，and is able to adapt to the dynamic changing environment. The basic principles of the flow measurement，hardware structure and software design are mainly introduced in this paper. The strong adaptability and high accuracy of the flowmeter were proved through test in a variety of environment and the result analysis. Keywords：STM32；neural network；time?difference method；generalized cross ?correlation algorithm 流量的精确测量对提高人们的生活质量、企业的生产效率，对节约型社会的建立都有着非常
超声波流量计的基本原理及类型 超声波流量计的基本原理及类型 刘欣荣 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。 众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。 另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。
超声波流量计的优缺点以及注意事项 超声波流量计的优缺点以及注意事项 外夹式或者管段式超声波流量仪表是以"速度差法"为原理，测量圆管内液体流量的仪表。它采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确。产品达到国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。 超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。 原理 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。 超声波流量计采用时差式测量原理:一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被*个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值Q 优缺点 优点 超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。 缺点 现今所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量zui大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5~10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。 超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。 超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。 超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。 特点功能 特点 ◆独特的信号数字化处理技术，使仪表测量信号更稳定、抗干扰能力强、计量更准确。 ◆无机械传动部件不容易损坏，免维护，寿命长。 ◆电路更优化、集成度高、功耗低、可靠性高。 ◆智能化标准信号输出，人机界面友好、多种二次信号输出，供您任意选择。 ◆管段式小管径测量经济又方便，测量精度高。 注意事项
第三章探伤仪、探头和试块3.1第一节：探伤仪 3.2 探头 一、压电效应与压电材料 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO3)、偏铌酸铅（P bNb2O4）等。 二、探头的编号方法 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。 四、直探头 （一）直探头的保护膜
1.压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。常用保护膜 有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。 2.软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的表面时，可 改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。 3.保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗Zm应满足 一定要求。 4.试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率变差、灵敏 度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。 （二）直探头的吸收块 为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。 五、斜探头 （一）结构与类型 （二）透声楔 斜探头都习惯于用有机玻璃作斜楔，以形成一个所需的声波入射角，并达到波型转换的目的。 一发一收型分割式双直探头和双斜探头也都以有机玻璃作为透声楔，这是因为有机玻璃声学
超声波流量计的选型与分类 关键词：超声波流量计选型与分类多普勒便携式流量计固定式时差式 超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。近几年来，随着技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种超声波流量计得到了广泛应用，同时也对广大用户提出如何进一步的了解超声波流量计、怎样选择合适的超声波流量计，使用过程中，应该注意些哪些问题等等，上海森逸技术人员结合现国内超声波流量计的发展情况及多年来现场应用经验，对上述问题进行了探讨。 超声波流量计选型与分类： 选型主要有以下几点：管道壁厚、外径，介质，管内流量是否含有杂质，测量介质的温度，测量介质为气体时，还需要知道气体的压力，除此之外，还应根据用户实际情况和测量需要合理选型。 1、多普勒超声波流量计 换能器经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂质含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。 2、便携式超声波流量计 主要用于校对管道上已安装其它流量仪表的运行状态，进行一个区域内的流体平衡测试，检查管道的当时流量情况等。如果不作固定安装，而用于这些用途时，选用便携式超声波流量计既方便又经济。 3、时差式超声波流量计 时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比，这一原理来测量流体流量。 目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。 4、管道式超声波流量计 精度最高，可达到±0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大，成本也会随增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计，较为经济。 5、固定式超声波流量计 如果有足够的安装空间，使用插入式换能器代替外贴式换能器，彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。有的厂家推出了内部为数字化电路的超声波流量计，其特点是采用数字电路处理信号，纠错能力增强，取样及时，精度提高(模拟电路的精度为±1.5%，数字电路可以达到±1.0%)，而且集成度提高，仪表体积大大减小，有多种信号输出模式供选择，在实际应用也取得了很好的效果。用户在使用中可以和模拟电路的超声波流量计进行比较。超声波流量计的功能选择，用户可以根据实际情况来确定。如果测量双向流体，一定要选择带有正负计量功能的超声波流量计；如果用户需要定期了解流体在一定时段有流量情况，可以选择带打印机的超声波流量计。总之，所选择的超声波流量计的功能既要满足用户需要，也不必贪多求全，造成许多功能闭置不用，而增加购买成本。
超声波流量计安装要求 超声波流量计安装要求： FV 系列超声波流量计常规测量时需要输入下列参数： 1. 管道外径 2. 管壁厚度 3. 管材 4. 衬材参数（如有的话 , 可包括衬里厚度和衬材声速） 5. 流体类型 6. 探头类型 （因为主机可支持多种不同探头） 7. 探头安装方式 上述参数条件的输入步骤一般遵循下列设置步骤 : 1. 键入 MENU 1 1 进入 11 号窗口输入管外径后键入 ENT 键； 2. 键入▼/- 进入 12号窗口输入管壁厚度后键入 ENT 键； 3. 键入▼/- 进入 14号窗口 ENT ,▲/+或▼/- 4. 键入▼/- 进入 16号窗口 ENT ,▲/+或▼/- 5. 键入▼/- 进入 20号窗口 ENT ,▲/+或▼/- 6. 键入▼/- 进入 23号窗口 ENT ,▲/+或▼/- 7. 键入▼/- 进入 24号窗口 ENT ,▲/+或▼/- 8. 键入▼ /- 进入 25 号窗口，按所显示的安装距 离及上步所选择的安装方式安 装好探头 （见本章安装部分 ） ； 9. 键入 MENU 0 1 进入 01 号窗口显示测量结果 选择测量点 超声波流量计的安装在所有流量计的安装中是最简单便捷的， 只要选择一个合适 的测量点， 把测量点处的管道参数输入到流量计中， 然后把探头固定在管道上即 可。 为了保证测量精度， 选择测量点时要求选择流体流场布均匀的部分， 一般应遵循 下列原则： 1. 选择充满流体的材质均匀质密、易于超声波传输的管段，如垂直管段（流体 向上流动）或水平管段。 选择管材后键入 ENT 键； 选择 衬材后键入 ENT 键； 选择流体类型后键入 ENT 键； 选择探头类型后键入 ENT 键； 选择安装方式后键入 ENT 键；
焊缝探伤超声波探头的选择方案参考 编号被测工件厚度选择探头和斜率选择探头和斜率 14—5mm6×6 K3 不锈钢：1.25MHz 铸铁：0.5—2.5 MHz 普通钢：5MHz 26—8mm8×8 K3 39—10mm9×9 K3 411—12mm9×9 K2.5 513—16 mm9×9 K2 617—25 mm13×13 K2 726—30 mm13×13 K2.5 831—46 mm13×13 K1.5 947—120 mm13×13( K2—K1) 10121—400 mm18×18 ( K2—K1) 20×20 ( K2—K1) 超声波探伤在无损检测焊接质量中的作用 焊缝检验方法: 1,外观检查. 2,致密性试验和水压强度试验. 3,焊缝射线照相. 4,超声波探伤. 5,磁力探伤. 6,渗透探伤.关于返修规定:具体情况具体对待,总之要力争减少返修次数在厂房建设及设备安装中大量使用钢结构，钢结构的焊接质量十分重要，无损检测是保证钢结构焊接质量的重要方法。 无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。 那么什么又叫超声波呢？声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍拍西瓜听听是否熟了；医生敲敲病人的胸部，检验内脏是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否坏了等等。但这些依靠人的听觉来判断声响的检测法，比声响法要客观和准确，而且也比较容易作出定量的表示。由于超声波探伤具有探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低等特点，目前建筑业市场主要采用此种方法进行检测。
1引言 近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。 2超声波流量计的测量原理 超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。 2.1时差法测量原理 时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。 图1超声波流量计测流原理图 设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为： 从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：
一般c>>v，则时差为： 单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。 以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。 图2多声道超声波流量计测流原理图 2.2多普勒法测量原理 多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
超声波流量计系统的设计 樊伟佳 （陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业,2012级1班，陕西汉中 723004） 指导教师：秦伟 [摘要]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，并且以其非接触式的测量、高精度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。设计系统时选择了一些基本电路设计了以下电路：超声波发射电路，超声波接收电路，LED显示电路，主从单片机电路，电源电路以及存储电路等，成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特点。另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：0.3～20m,流速：0.1～12m/s。 [关键词]超声波流量计；单片机；时差法； The Design of Ultrasonic Flow Meter System Fan Weijia (Grade 04,Class 1,Major electronics and information engineering，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi) Tutor: Qin Wei [Abstract]: Ultrasonic flowmeter is the use of ultrasonic wave propagation characteristics in the fluid to measure the flow rate measuring instruments, and its non-contact measurement, high accuracy and other characteristics in industrial production, medicine, water and other fields have a wide range of applications. This design uses the principle of transit-time ultrasonic flowmeter, ultrasonic flowmeter for measurement accuracy easily affected by temperature problems using the improved algorithm to avoid the effect of temperature on the measurement accuracy. Design system selected some basic circuit design of the following circuits: ultrasonic transmitter circuit ultrasonic receiver circuit, LED display circuit, master-slave microcontroller circuit, power circuit and a memory circuit, successfully realized its measurement and accessibility of instantaneous flow, Overall, this design ultrasonic flowmeter has high accuracy, wide measuring range, easy installation, simple test operation. In addition, this ultrasonic flowmeter design suitable for pipes and open channel flow measurement, suitable for measuring fluid: water or other impurities, less liquid, open channel diameter or width: 0.3 ~ 20m, flow rate: 0.1 ~ 12m / s. [Key words]:Ultrasonic flowmeter; single chip microcomputer; time difference method;
超声波流量计探头的安装方法 TK-CSBL超声波流量计在安装的时候一定要确定安装的位置，这样才能够更好的不让安装超声波流量计出现问题，如果在安装超声波流量计的时候出现了问题，那么将会是非常麻烦的一个处理。所以大家一定要清楚在安装的时候，安装的位置应该避开什么东西。 1、避免在水泵、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器; 2、选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段; 3、要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D(注：D=直径)，下游要大于5D; 4、安装点上游距水泵应有30D距离; 5、流体应充满管道; 两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45o 范围内安装，以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。如果受安装地点空间的距离而不能水平对称安装时，可在保证管内上部分无气泡的条件下，垂直或有倾角地安装传感器 在安装探头之前，选择出管材致密部分进行探头安装，须把管外欲安装探头的区域清理干净，除去一切锈迹油漆，最好用角磨机打光，再用干净抹布蘸丙酮或酒精擦去油污和灰尘，然后在探头的中心部分和管壁涂上足够的耦合剂 探头间距以两探头的最内距离边缘为准在输入了所需的参数以后，查看显示窗口25所显示的数字，并使探头的间距符合25号窗口的数据。 TK-CSBL超声波流量计探头安装方法共有四种。这四种方式分别是v法、z 法、n法和w法。下面分别说明。一般地在小管径时(dn15~200mm)可先选用v 法;v法测不到信号或信号质量差时则选用z法，管径在dn200mm以上或测量铸铁管时应优先选用z法。 一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为15mm 至大约400mm;安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平。 当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成v 法安装信号弱，机器不能正常工作时，要选用z法安装。原因是;使用z法时，超声波在管道中直接传输，没有折射(称为单声程)，信号衰耗小。z法可测管径范围为100mm至6000mm。实际安装流量计时，建议200mm以上的管道都要选用z法(这样测得的信号最大)。
超声波探头
第三章探伤仪、探头和试块 3.1第一节：探伤仪 3.2 探头 一、压电效应与压电材料 某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力（压缩力和拉伸力）作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应，如图所示。 负压电效应产生超声波，正压电效应接收超声波并转换成电信号。 常用的压电单晶有石英又称二氧化硅（SiO2）、硫酸锂（LiS04H20）、碘酸锂LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）等，除石英外，其余几种人工培养的单晶制造工艺复杂、成本高。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTi03）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸铅（PbTiO 3)、偏铌酸铅（PbNb2O4）等。 二、探头的编号方法 三、探头的基本结构 压电超声探头的种类繁多，用途各异，但它们的基本结构有共同之处，如图所示。它们一般均由晶片、阻尼块、保护膜（对斜探头来说是有机玻璃透声楔）组成。此外，还必须有与仪器相连接的高频电缆插件、支架、外壳等。
四、直探头 （一）直探头的保护膜 1.压电陶瓷晶片通常均由保护膜来保护晶片不与工件直接接触以免磨损。 常用保护膜有硬性和软性两类。氧化铝（刚玉）、陶瓷片及某些金属都属于硬性保护膜，它们适用于工件表面光洁度较高、且平整的情况。用于粗糙表面时声能损耗达20～30dB。 2.软性保护膜有聚胺酯软性塑料等，用于表面光洁度不高或有一定曲率的 表面时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，它对声能的损耗达6～7dB。 3.保护膜材料应耐磨、衰减小、厚度适当。为有利于阻抗匹配，其声阻抗 Zm应满足一定要求。 4.试验表明：所有固体保护膜对发射声波都会产生一定的畸变，使分辨率 变差、灵敏度降低，其中硬保护膜比软保护膜更为严重。因此，应根据实际使用需要选用探头及其保护膜。与陶瓷晶片相比，石英晶片不易磨损，故所有石英晶片探头都不加保护膜。 （二）直探头的吸收块 为提高晶片发射效率，其厚度均应保证晶片在共振状态下工作，但共振周期过长或晶片背面的振动干扰都会导致脉冲变宽、盲区增大。为此，在晶片背面充填吸收这类噪声能量的阻尼材料，使干扰声能迅速耗散，降低探头本身的杂乱的信号。目前，常用的阻尼材料为环氧树脂和钨粉。 五、斜探头 （一）结构与类型
超声波流量计和电磁流量计各自特点及区别比较 叙述了超声波流量计和电磁流量计在概论、工作原理、分类和工作性能的区别，提出，我国现阶段2种最常用流量计的特征和不同优势。 1超声波流量计和电磁流量计的概念 超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 电磁流量计是1种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感 应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。 2超声波流量计和电磁流量计的工作原理 超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统3部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。 超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的2个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”。 3超声波流量计和电磁流量计的分类 根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。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。
学号：14111501202 湖南理工学院 毕业论文 题目：超声波流量计的设计 作者：刘阳届别：2011级 院别：机械工程学院专业：机械电子工程 指导老师：周红波职称：讲师 完成时间: 2015.5.10
摘要 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。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。 本设计与传统的机械式流量仪表不同，它具有机械式仪表所不具备的优点，而且因其采用高精度时间测量芯片TDC-GP2进行时间测量，保证了测量的精度。本设计采用时差法原理进行测量流体流速，进而计算出瞬时流量。 论文从流量计的发展历史和背景到超声波流量计的原理、特点以及国内外发展概况，详细地介绍了超声波流量计。另外，论文又详细研究了时差法超声波流量计的理论知识，并在理论基础上研究了超声波流量计的硬件电路与软件部分，其中所用的高精度时间测量芯片TDC-GP2以及单片机STC89C58RD+是本设计的核心部分。本设计成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，有较广阔的研究前景。 绪论 1.1流量计的发展历史与现状概述 数千年前，人们为了适应水利和农业灌溉的需要，就已经开始关注流量测量的问题。流量测量作为人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它不仅广泛用于农业和水利，也广泛用于化工、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。 最早的流量测量发生在公元前1000年，古埃及人通过对尼罗河流量的测量来预计当年收成的好坏，古罗马人利用孔板测量的方法在修建引水渠时进行流量测量。而到目前为止，流量计的发展也有了几百年的时间，早在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
第一节超声波探头 一.以构造分类 1.直探头: 单晶纵波直探头双晶纵波直探头 2.斜探头: 单晶横波斜探头α1<αL<αⅡ，双晶横波斜探头 单晶纵波斜探头αL<α1为小角度纵波斜探头 αL在α1附近为爬波探头 爬波探头；沿工件表面传输的纵波，速度快、能量大、波长长探测深度较表面波深，对工件表面光洁度要求较表面波松。（频率2.5MHZ波长约 2.4mm，讲义附件11、12、17题部分答案）。 3.带曲率探头: 周向曲率径向曲率。 周向曲率探头适合---无缝钢管、直缝焊管、筒型锻件、轴类工件等轴向缺陷的检测。工件直径小于2000mm时为保证耦合良好探头都需磨周向曲率。 径向曲率探头适合---无缝钢管、钢管对接焊缝、筒型锻件、轴类工件等径向缺陷的检测。工件直径小于600mm时为保证耦合良好探头都需磨径向曲率。 4.聚焦探头: 点聚焦线聚焦。 5.表面波探头:(当纵波入射角大于或等于第二临界角,既横波折射角度等于900形成表面波). 沿工件表面传输的横波，速度慢、能量低、波长短探测深度较爬波浅，对工件表面光洁度要求较爬波严格。 第一章“波的类型”中学到：表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。（频率2.5MHZ波长约1.3mm，讲义附件11、12题部分答
案）。 二.以压电晶体分类: 三.压电材料的主要性能参数: 1.压电应变常数d33: d33=?t/U在压电晶片上加U这么大的应力,压电晶片在厚度上发生了?t的变化量,d33越大,发射灵敏度越高(82页最下一行错)。 2.压电电压常数g33: g33=UP/P在压电晶片上加P这么大的应力.在压电晶片上产生UP这么大的电压,g33越大,接收灵敏度越高。 3.介电常数ε: ε=Ct/A[C-电容、t-极板距离(晶片厚度)、A-极板面积(晶片面积)]; C小→ε小→充、放电时间短.频率高。 4.机电偶合系数K: 表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转换效率。 对于正压电效应:K=转换的电能/输入的机械能。
超声波气体流量计基本原理介绍 超声波流量计一般可分为两大类：传播时间式超声波流量计和多普勒超声波流量计。在含有悬浮粒子的流动流体中，可以利用声学多普勒效应测量多普勒频移来确定媒质流速v，这种方法称为超声波多普勒法。 因为目前市场上的超声气体流量计产品都是传播时间式超声波流量计，所以下文将重点阐述传播时间式超声波流量计的原理。当超声波在流动的媒质中传播时，相对于固定坐标系统，超声波速度与在静止媒质中的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。因此根据超声波速度的变化量可以求出媒质的流速，传播时间式超声波流量计就是根据这一原理设计而成的。超声波流量计由两大部分组成：测量变换器部分和电子电路部分。 测量变换器又称为换能器，包括超声波发射器、接收器、声楔以及相应的机械连接组件等。 电子电路包括超声波的发射、接收电路，信号处理电路，流量数据指示或输出电路等。 超声波传播时间法测量流量的原理 时差法是通过测量超声波脉冲顺流和逆流的传播时间差来得到媒质流速的一种方法。参看图1-1，在管道两侧分别装置有两个收发通用型超声波换能器R 和T,管道中的媒质以速度u向前流动。
Fig.1-1管道内流速断面和超声射线的轨迹 图中的两个换能器在发射、接收状态交替工作，当T 发射R 接收时称为顺流发射状态，反之，R 发射T 接收时称为逆流发射状态。设顺流发射时超声脉冲的传播时间为1t ，而逆流发射时超声脉冲的传播时间为2t ，则有 ???????+-=++=τθθτθθcos sin /cos sin /2221u c D t u c D t （1-1） 式中，u 为管道中媒质流速，2c 为超声波在静止媒质中的声速，e c l ττ+=1 12；这里1l 为声楔(O-P)或(B-C)之长度，1c 为超声波在管壁中的声速，1 1c l 为超声脉冲通过声楔的时间，e τ为电路延迟时间。 考虑到一般情况下22c >>2u ,根据1-1式可以得到流速的计算公式： ???? ??-???????+=1222 112sin sin 1t t D c D u θθτ （1-2） 根据1－2式可以得出管道内流体中的声速的计算公式：
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)