超声波流量计的研究与设计
目录
第一章概述 (3)
1.1流量计的发展及现状 (3)
1.2超声波流量计的测量原理 (3)
第二章超声波流量计的总体设计思想 (3)
2.1超声波换能器 (3)
2.1.1 原理 (3)
2.1.2 选择及安装方式 (4)
2.2时差法测量 (4)
2.3多脉冲测量方法 (5)
第三章超声波流量计的硬件设计 (7)
3.1整体硬件系统设图 (7)
3.2超声波发射电路设计 (7)
3.3超声波接收电路设计 (8)
3.4超声波顺逆流发射和接收控制电路设计 (10)
3.5计数电路的设计 (11)
3.6 LCD12864显示电路设计 (12)
3.7参数输入电路设计 (13)
3.8主从单片机之间的电路设计 (14)
第四章系统软件设计 (15)
4.1主单片机软件设计 (15)
4.2从单片机程序设计 (16)
4.3主从单片机之间采用中断方式进行通信，发送数据流
程图 (17)
4.4 INT0中断服务子程序设计 (18)
4.5 键盘子程序 (18)
4.5.1键盘扫描主程序流程图 (18)
4.5.2按键预处理子程序流程图 (19)
4.5.3键值处理子程序流程图 (20)
4.6超声波换能器收、发射电路控制子程序设计 (21)
第五章系统软件的仿真和调试 (22)
附件一：电路图 (24)
附件二：主单片机程序 (25)
附件三：从单片机程序 (34)
参考文献...................... . (37)
致谢 (38)
一概述
1.1流量计的发展及现状
流量计作为计量仪表，在工业生产过程，能源计量，环境保护工程，交通运输，生物技术，科学实验等领域起着越来越重要的作用。随着科技的日新月异，新型流量计也如雨后春笋般涌现出来，现流量计的种类有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。
其中，超声波流量计，集计算机和传感器技术于一身，将声学的研究成果与现代电子技术结合在一起，可以用于多种液体的测量。同时，超声波流量计可以实现非接触式测量且测量方法简单、精度高、可用于大口径的测量。超声波流量计以其独有的优点证明了其实际的应用价值和广阔的市场前景。
1.2超声波流量计的测量原理
一般来讲，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。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。其测量过程大致为：超声波流量计中的超声波发射电路将电信号转换成超声波信号发射到待测流体中，随后超声波接收电路接受超声波经放大后转换成电信号，此时的电信号载有待测液体流速的信息，将其送到显示和累积系统进行显示累积和计算，即可检测到液体流速，从而得到流量，检测过程完成。
根据检测原理的不同，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。其中以时差法和多普勒效应法使用最为广泛，测量精确度也相对较高。
下面简单介绍一下这两种方法：
时差法是利用超声波在流体中的传播速度随流体的速度变化而变化的原理来测量的。通过测量超声波顺流和逆流传播的时间差△t来计算流速v，而后根据Q=s*v 可计算出流量。时差法流量计主要应用于单相液体，适合于工业上洁净用水测量。
多普勒效应法是利用超声波在传播过程中由于流体中存在的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。主要用于一些杂志颗粒较大的多相流体，适用于杂质较多且分布均匀的流体测量。
本设计中采用时差法测量。
二超声波流量计的总体设计思想
2.1超声波换能器
2.1.1 原理
换能器是一种能量转换装置，可以将一种形式的能转换成另一种形式的能。在声学领域，换能器主要实现电声转换。超声波换能器是以超声波为检测手段实现能量转换的器件。在发射超声波时，超声波换能器将电能转换为声能，在接收时，则将声能转换为电能。
目前常用的是压电超声波换能器，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。
2.1.2 选择及安装方式
超声波流量计负责超声波的发送和接收，因此其选择与安装方式直接影响测量的精度。
超声波换能器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式及发送器和接收器一体的换能器，即既可发送超声波，又可接收超声波；收发分体式是发送器发送超声波，接收器用作接受超声波。本设计中采用收发一体式，以方便顺流和逆流的测量。
对于超声波流量计来说，换能器通常三种测量方法：Z 法(透过法)、V 法(反射法)、X 法(交叉法)等。本设计中采用了v 型安装方式，它可以消除管路安装地点使换能器安装间隔受到限制引起的误差，并且可以扩大声程，提高准确性。
2.2 时差法测量
下面介绍一下用V 型安装时利用时差法的计算方法：
图中为V 型安装方式，超声波换能器T 1及T 2装在管道一侧一定距离处。它们是都收发一体式的换能器。假定 ：被测流体流速是v ，液体管道内径为d ，超声波在流体中的传播速度（v=0时）是c,超声波发射时的方向与管轴间的夹角为θ。因为超声波换能器被安置在管壁外侧，超声波在管壁中传播需要时间，用0τ表示。
顺流时：
T 1发射超声波，超声波在流体中顺流传播，经时间1t 后被T 2接收
θ
θsin cos 21v C d
t +=
+0
τ
逆流时：
T 2发射超声波，超声波在流体中逆流传播，经时间2t 后被T 1接收
θ
θsin cos 22v C d
t -=
+0
τ
时间差：
θ
θ
2
2212sin tan 4v C dv t t t -=-=?
又因为一般情况下，v 很小，则2
C >>θ2
2
sin v ，因此，可将上式简化为：
θ
θ
2
212sin tan 4v dv t t t =-=? 求解，
t d C v ?=θ
tan 42
流速为： v d v S Q 4
2
π=
?=
2.3 多脉冲测量方法
一般所需测量的流体流速常常是每秒几米，对比而言，声波在液体中的传播速度（约为1500m ／s 左右）很大。被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是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，现在的技术在单次测量中不可能达到这样的测量效果。因此，该设计中使用了多脉冲测量的方法。不但降低了测量的难度，更易获得精确的数据，还可以在测量时结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出合理估计，从而确保流量测量的精度。
多脉冲测量的示意图
a b
多脉冲测量就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法。 顺流时：
如a 图所示，T 1发射超声波，超声波在流体中顺流传播，经时间1t 后被T 2接收，并将其转化为电信号，再进行其他操作（放大、整形等）。而后，其中一部分代替触发信号触发T1再次发射超声波。如此循环N 次。
N 次循环所用时间：（)(i τ为第i 次的0τ）
1
1
3)(Nt i t N
i +=∑=τ
逆流时：
如b 图所示，T 2发射超声波，超声波在流体中逆流传播，经时间2t 后被T 1接收，而后与顺流时相似。
N 次循环所用时间：（)(i τ'为第i 次的0τ） ∑=+'=N
i Nt
i t 1
2
4)(τ
时间差 ：
当两图中的发射电路、放大电路等用完全相同的电路，并且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N 足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时（0τ是延迟时间）总和是相等的，即：
∑∑=='=N
i N i i i 1
1
)()(ττ
于是：
N
t t t t t 3
412-=
-=? 这样，时间差t ?不再用去测量难以准确计量的微小时间1t 和2t ，而是改测相对较大的时间3t 和4t 。用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路就容易测量3t 、4t ，时间差t ?的准确测量就变的容易了 。
三 超声波流量计的硬件设计
3.1、整体硬件系统设计框图
V
3.2、超声波发射电路设计
单片机系统发出发射启动信号，以控制超声波换能器发射超声波信号。本部分电路采用单脉冲发射电路，由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经过三极管放大和变压器升压后，达到足够的功率后驱动换能器产生超声波。具体电路图如下：
3.3、超声波接收电路设计
超声波换能器发射出超声波信号后，会经过管壁和待测流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡，信号不稳定且强度不断减少，所以需要对接收到的超声波信号进行滤波和放大处理。
设计中，采用二级放大和带通滤波。
第一级放大电路采用低噪声高速放大器MAX410：
一级放大电路图如下：
接收到的超声波信号，经过电阻从,MAX410的2、3脚输入，放大后的信号由MAX410的6脚输出，输出的信号一路送到带通滤波器进行滤波处理，另一路反馈到ICICD4046用来完成锁相，以保持相位。
超声波信号经过一级放大后，用MAX275带通滤波器滤波之后送到二级放大电路，进行第二次放大。带通滤波电路设计如下图：
超声波信号经过一级放大之后和带通滤波器之后，信号还比较小，采用具有较高的增益宽带积INA128放大器，进行二级放大，放大的超声波信号送到计数电路。二级放大电路图如下：
3.4、超声波顺逆流发射和接收控制电路设计
电路图如下：
超声波换能器发射接收的方向由三个双刀双置的继电器开关K1/K2/K3控制，继电器K1为总开关，如果K1导通，通过K2和K3的导通和关闭情况来控制换能器T1和T2哪个为发射，哪个为接收。三个继电器的状态分别由单片机的三个位口线来控制。
3.5、计数电路的设计
单片机晶振频率取为12MHz,通过P1.5、P1.6和P1.7控制固体继电器的通断,进而控制超声波顺流发射或逆流发射,而P1.0则对各计数器清零,P1.2发出启动信号。分频计数器4040满,
将在INT 1端产生一个下降沿,向单片机申请外部中断。单片机通过P 2.0和P 2.1分别使能两片74LS245,从P 0口读入其中的计数值。由于超声波发射和接收的次数N 可以通过编程来控制，N 值不会太大，故计数电路选用4片74S196芯片串接就可满足需要。
计数部分的电路图如下所示：
3.6 LCD12864显示电路设计
基于ST7902的12864汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字、128个字符及64X256点阵显示RAM 。其主要技术指标和显示特性如下：
电源：VDD 3.3V —+5V （内置升压电路，无需负压）； 显示内容：128列*64行
超声波发射电路
从单片机
显示颜色：黄绿
显示角度：6：00钟直视
LCD类型：STN
与MCU接口：8位或4位并行/3位串行
配置LED背光
多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等
LCD12864显示电路设计如下图：
3.7 参数输入电路设计
键盘是人机对话的重要组成部分，本设计中使用了10个数字键和6个功能键：选择修改管道直径、选择修改夹角、增一键、减一键、确认开始键和修改键。键位设计图和矩阵式键盘的电路图分别如下：
键位设计图
矩阵式键盘电路设计图
3.8 主从单片机之间的电路设计
本设计采用了主从单片机协同工作的方式。接口连接方式是主从串行通信连接方式。串行口在工作方式0下工作时，本质上是一个移位寄存器，SBUF 为移位寄存器的输入、输出寄存器，外部引脚RXD 为数据的输入/输出端，外部引脚TXD 用来提供数据的同步脉冲，移位脉冲为外部晶体频率的1/12.串行口的工作方式0不支持双工的工作方式，因此在同一时刻只能够进行数据发送或接收操作。这种工作方式导致速度比较慢，但是在数据传输不太多
的情况下，串行通信是非常方便的，通信速率可达1MB/s。
（1）数据发送
当向SBUF写入一个字节的数据之后，串行口在下一个机器周期开始时把数据串行发送到外部引脚RXD上，首先发送字节数据的最低位，同时，外部引脚TXD上会给出一个时钟信号，该时钟信号频率为单片机工作频率的1/12,在机器周期的第6节拍起始时变高，在第3节拍到来时变低，在第6节拍的后半段进行一次数据移位操作。
当SBUF内的8位数据发送完成后，串行口将置位TI，申请串行口中断，并且只有在TI被清除后才能够进行下一个字节的发送。
（2）数据接收
在REN标志位和RI标志同时为零后的下一个机器周期，串行口将1010 1010写入接收缓冲寄存器，准备接收数据。当外部数据引脚TXD上的时钟信号到达后，串行口在该机器周期的第5节拍的后半段对RXD上的数据进行一次采集，并且将该数据送入接收缓冲寄存器。当完成一个字节的数据接收后，置位RI并且申请一个串行中断，只有在RI被清除之后才能够进行下一次接收。
主从单片机之间的连接方式如下图所示：
主从单片机串行通信示意图
四系统软件设计
超声波流量计的软件设计包括主从单片机两个部分，主单片机部分主要完成参数的设定，流量的计算，测量结果的显示；从单片机部分主要完成超声波收发电路的控制，传播时间的测量，数据的检验和传输等。
4.1主单片机软件设计
主单片机软件部分主要包括参数处理程序、、计算子程序、键盘处理子程序、显示子程
序、串行通信子程序等。
流量计开启后主单片机先执行系统初始化子程序，包括初始化单片机的系统参数、程序运行中所需的常数等，并自动进入参数设置状态，然后向从单片机发送命令；参数设置完成后，进入主单片机程序的测量及参数显示状态，在这一状态中程序不断扫描键盘，根据键入的命令跳转到相应的子程序模块。
主程序程序设计流程图如下所示：
主程序设计流程图
4.2从单片机程序设计
从单片机部分完成超声波收发电路的控制、测量数据的采集、检验和传输，其软件流程图如下图所示：
从单片机主程序流程图
系统进行测量前，先要进行自检，检查系统各部分工作是否正常，接着与主单片机进行通讯，接收主单片机传送来的参数，并将参数存放在存储器中，以便测量时使用。当接收到主单片机的测量命令后，从单片机开始进行传播时间的测量，检验传播时间的可靠性，并将这些数据通过串口送到主单片机进行计算。主从单片机之间的通讯采用中断方式，在从单片机接到停止测量命令后结束测量过程，等待主单片机发送新的命令。
4.3主从单片机之间采用中断方式进行通信，发送数据流程图如下图所示
主从单片机数据发送子程序流程图
4.4 INT0中断服务子程序设计如下
INT0中断服务子程序流程图
4.5 键盘子程序
键盘子程序包括三个部分：键盘扫描子程序、键盘预处理子程序、键值处理子程序。键盘扫描是对键盘的按键位置进行判断，并读取相应按键的键号，根据按键号执行相应的动作。
4.5.1键盘扫描主程序流程图
系统采用了行列式键盘，其行列扫描程序流程图如下图所示：
键盘扫描子程序流程图
4.5.2按键预处理子程序流程图：
由于在按键过程中，可能同时按下多个键或者一个键也没有按下，因此扫描过键盘后需要进行按键的预处理，按键预处理子程序流程图如下图所示：
按键预处理子程序流程图
4.5.3 键值处理子程序流程图
按键处理子程序的作用是对16个按键的处理，本设计中有0—9共10个数字键和A—F六个功能键：
A：选择修改管道直径键；
B：选择修改夹角键；
C：增一键；
D：减一键；
E：确认开始键；
F：修改键。
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。
插入式超声波流量计安装调试方法简述 一、数据输入步骤： （1）首先用盒尺量出被测管路的周长。 （2）打开仪表，接通电源，仪表显示超声波流量计版本号或菜单第一项内容。 （3）=-------------；再按10仪表显示输入管道外周长，将用盒尺测量出的周长直接输入。 例：周长为318mm，直接按3、1、8 （4）仪表显示管外径。 （5） （6） 例：管路为碳钢，即仪表显示0 （具体材质见说明书9 （76）。（86）。 （95，插入 B型探头”，输入方法同（6） （10Z法安装”， （11 （12）40号窗口，窗口显示阻尼系数，输 (13)号窗口，窗口显示低流速切除值，按确认键后输， （141，固化参数并总使用” 二、传感器安装点的选择： 测量点要尽量选择距上游10倍直径，下游5倍直径以内均匀直管段，没有任何阀门、弯头、变径等干扰流场装置，流体必须为满管。 三、安装方法： 1、Z方式安装：以管路周长为200mm为例 侧视图侧视图截面图 （1）在管路一面外侧划一长十字为A点，以十字为中心用盒尺向另一侧量
出1/2周长，即100mm，该点为B 如安装距离为25mm，从A点向一侧量出25mm为C点和上面一样从B点向另一侧量出管路1/2周长为D点，B、D两点连接，D点划十字，A、D两点即为两个探头安装点，B、C两点也可为两个探头安装点，以现场情况而定。 （2）插入式探头则以A、D两点为中心焊接好探头底座。确保焊接周边不渗水，漏水。底座螺纹上顺时针缠绕生料带或油麻，再将球阀通过丝扣连接于底座上，旋开球阀。安装开孔工具，开钻打孔，孔打通后，缓慢向外旋出钻头，并迅速关闭球阀（也可再迅速开启、关断球阀，放出少量水以冲出打孔时的残留铁屑）根据钻头的进深，确定管壁及结垢总厚度。根据管壁及结垢厚度，确定探头的插入深度；旋转探杆，调节声楔面收发波束角度（插入式探头的安装方式详见 Z 水流方向 Z 水流方向 俯视图（接线嘴同时向上） 2显示上游= 下游= Q值= 上游、下游为信号强度，应大于60以上。上、下游数据接近。Q值为信号质量，应在60以上。如信号强度不理想，应旋转一侧探头一圈（向内或向外），同时观查信号强度变化，75-85之间最好。如还不行，应检查流体内是否含有大量气泡，或流体不满管。例：上游= 下游= Q值=70(Q值总在60-80之间变化)为好。 100%，最次在（100±3）%范围内波动。 详情请参看说明 唐山天泽仪表有限公司 开发部
超声波流量计 一、超声波流量计工作原理: 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。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD 会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；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。 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。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。 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。 以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。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。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V
DCT1158W插入式超声波流量计 金德工控DCT1158W是一款应用广泛、通用经济型、插入式、时差法超声波流量计。它具有非常简单的安装方式，可以实现“在线带压”安装，现场无需停产，使客户轻松实现对管道流量的测量。它采用了最先进的数字相关技术和智能自适应声波技术，使它的测量稳定性更加突出。同时，它使用的声聚焦专利技术，使产品在连续测量时的信号接收品质得到显著增强。 金德工控DCT1158W超声波流量计由变送器、传感器两部分组成。插入式探头可在线带压安装，具有安装稳固，现场无需停产等特点。特别适合用于含有少量颗粒、气泡的单一液体介质的流量测量。 金德工控DCT1158W超声波流量计采用了先进的模块化一体式设计，独立菜单操作，液晶背光显示。产品变送器防护等级达到IP65，传感器防护等级达到IP68，适应于潮湿、浸泡等恶劣环境下的使用。 金德工控DCT1158W超声波流量计集合了目前工业场合使用的RS485通讯接口、4-20mA 电流信号、脉冲输出、MODBUS协议、直流电/交流电使用，支持产品全天候工作，并构成流量计量网络需求。另外产品可以扩展使用太阳能、雷姆电源、防爆/隔爆等功能模块，使产品能够满足各种应用环境的使用。 快速、简便、易于使用 金德工控DCT1158W超声波流量计采用插入式安装，在变送器菜单中输入现场管径大小、管壁厚、测量介质、探头安装方式，即可测算出探头安装距离进行安装。完成产品电气连接与底座焊接将探头与球阀安装后，即可进行测量工作。 特点： 在线带压安装 正、负流量测量，累积流量 无故障工作时间50000小时测试 分时段流量统计 键盘按键寿命大于20万次
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。
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
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)
超声波流量计 概述： 管段式超声波流量仪表[3]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。 产品特点： ◆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。 ◆管段式小管径测流经济又方便，测量精度高达0.5级。 性能参数： 性能参数 测量液体充满被测管道的水、污水及其它均质液体，悬浮物含量小 于10g/L，粒径小于1mm。 准确度±1.0% 流速范围±0.01m/s~±12.0m/s 管径范围DN300mm~DN2000mm 传感器材质钢或不锈钢 传感器承压能力管径300~600mm，压力不超过2MPa；管径700~2000mm，压力不超过1MPa 转换器环境温度：-10℃~+45℃；湿度≤85%(RH) (特殊环境订货时说明) 壁挂式盘装式一体式
管段式传感器外型尺寸：
1200 1030 1522 1434 32×44 1303 1400 1164 1778 1670 32×48 1914 1600 1298 1982 1874 36×48 2442 1800 1432 2236 2114 36×52 3411 2000 1566 2446 2324 40×52 4262 ZR系列超声波流量计采用的是时差法测量原理。它的高可靠性是积8年的制造经验加上博采众长，通过不断完善提高得到的；是由于采用了最新的诸如Philips、Tl、美国国家半导体公司的新型高性能集成元器件加上先进的SMD贴装器件生产线大规模生产实现的。40皮秒（40×10 秒）的时间分辨率，0.5%的线性度。低电压多脉冲原理，保证可靠运行。两路0.1%精度的模拟输入，接入温度传感器电流信号，即变成热量计！实现中文显示，软件开放式设计，所有参数用户皆可设定；硬件元件参数无关化设计，无需调整即能确保每一台流量计具有完全相同的性能。主机机型有：便携式、壁挂式、标准盘装式、手持式、一体式。传感器具有：方便安装的外缚式、可靠工作的插入式、高可靠高精度的标准管段式、超高精度的标准型π管段式。 超声波流量计的主要特点是：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资；量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间呈线性等优点。缺点：当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响测量精度，故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段；此外，结构复杂，成本较高。 测量原理 当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式 其中 θ为声束与液体流动方向的夹角
1.引言 研究利用超声波测量流体流量已经有数十年的历史了。1928年，法国人0.Rutten研制成功了世界上第一台超声流量计。但为了使超声波流量计有一定的精度，时差法超声波流量计要求对时间的测量至少有10mS，这在当时是很难做到的。1955年，应用声循环法的MAXSON 流量计在美国研制成功，用于航空燃料油流量的测量。50年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入工业应用时期。但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位[1]。 进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，高精度的时间测量成为一件轻而易举的事，再加上高性能、工作非常稳定的锁相技术(PLL)的出现与应用，使得超声波流量计的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，出现了频差法超声流量计。锁相频差法测量周期短，响应速度快，而且几乎完全消除了声速对测量精度的影响，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，缺点是测量小管径小流量时精度得不到保证。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作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：层流状态和紊流状态，并给出了层流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，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、多普勒法、相关法及噪声法等。其中波束偏移法是利用超声波在流体中传播时因流体流动产生的波束的偏移量的大小来测量流量，这种方法灵敏度低，只能用来测量大管径大流量;多普勒法利用不纯净流体中散射体的多普勒频移来测量流量，特别适用于
不纯净流体的流量测量；相关法利用相关技术来测量流量，测量精度高，适用范围广，但相关流量计线路复杂，价格昂贵，一般只在要求较高的场合使用；噪声法则通过检测流体中的噪声来测量流量，这种方法线路简单，价格便宜，但精度低，只能在要求不高的场合使用。 到了80年代中后期，单片机技术的应用使超声流量计向高性能、智能化的方向发展。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。单片机在超声流量计中的应用，是超声流量计开始真正进入工业测量领域。 2课题研究背景 2.1超声波流量计的现状 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，基于声道配置及流动力学的研究，超声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。超声波流量计一般.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。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其发射并穿过被测流体，接收换能器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号，供显示和积算，这样就实现了流量的检测显示。 在国外，以美国Controlotron公司和Ploysonics公司为代表的产
§ 1.3 工作原理 当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速。零流量时，两个传感器发射和接收声波所需的时间完全相同（唯一可实际测量零流量的技术），液体流动时，逆流方向的声波传输时间大于顺流方向的声波传输时间。 § 1.4典型用途 携带式超声波流量计/能量表用于测量各种能够传导超声波的单一均匀的液体的流量及热量。 携带式超声波流量计采用非接触测量方式，测量范围大，没有活动机械部件，不受系统的压力和恶劣环境的影响，已成功应用于水、纯水、海水、污水、化工液体、江河水、燃料油等流体的计量工作中。标准传感器的上限温度为110oC ，超过此温度请与厂家或供应商联系。 携带式超声波能量表广泛应用于制冷、供热、换热器、冷冻机、锅炉等行业系统能量消耗行的计量。 2．主机操作快速入门 § 2.1 如何开关机 按 On 键3秒打开流量计的电源，按 Off 键3秒关闭流量计的电源。 § 2.4 键盘及常用菜单的快捷操作 § 2.4.1 16键键盘 0 － 9 和 . 键用于输入数字或菜单号； ?键用于左退格或删除左面字符； 一菜单， 在输入数字时，相当于正、负号键； MENU 键（简称为M键）用于访问菜单， 先键入此键后再键入两位数字键，即可进入 数字对应的菜单窗口； ENT 键, 为回车键，也可称为确认键， 用于“确认”已输入数字或所选择内容。另 一个功能是在输入参数前按此键用于进入“修改”状态。 超声波流量计/热量表采用了窗口化软件设计，访问窗口的快捷方法是在任何状态下，键入MENU 键，再接着键入两位数的窗口地址码。例如欲输入或查看管道外径参数，窗口地址为11，键入MENU 1 1 即可。 访问窗口的另一种方法是移动访问，使用按键▲/+ 和▼/- 及 ENT 键，例如当前窗口为66，键入▲/+ 即进入窗口65，再键 入▲/+ 进入窗口64；键入▼/- 后，又回到窗口65，再键入▼
自 动 化 仪 表 之 超 声 波 流 量 计 的 认 识 电气与控制工程学院 测控技术与仪器0902班 姓名：雷军 学号：0906070225
超声波流量计原理 摘要 本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理，以及超声波流量计的分类。通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析，得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高，而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。 一、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。 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。超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，超声波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、
插入式超声波流量计安装调试方法简述 、数据输入步骤： 首先用盒尺量出被测管路的周长。 打开仪表，接通电源，仪表显示超声波流量计版本号或菜单第一项内容。 按菜单键，仪表显示输入菜单号码 二 ------ ；再按10仪表显示输 入管道外周长，将用盒尺测量出的周长直接输入 B 型探头”，输入方法同（6），按确认键 （10）按键进入百4―号窗口，选择安装方式，选择“ Z 法安装”， 按确认键。 （11） 按▼□键进入口号窗口，窗口自动显示出探头安装距离。 （12） 按菜单键输4匸0 口 入20,再按确认键。 键进入 朗 口 号窗口，窗口显示低流速切除值，按确认键后输, 再按确认键。 （14）按菜单键输入26,进入2］匚号窗口，选择“ 然后按确认键。 二、 传感器安装点的选择： 测量点要尽量选择距上游10倍直径，下游5倍直径以内均匀直管段，没有 任何阀门、 弯头、变径等干扰流场装置，流体必须为满管。 三、 安装方法： 1、Z 方式安装：以管路周长为200mm 为例 A CB^ 截面图 (1) (2) (3) 例：周长为318mm 直接按3、1、8后按确认键 仪表 显示管外径。 选择，仪表显示不同材质，选择完毕，再按确认键 选择被测管路材质，按确认键后用^ /-键 (7) (8) (9) 例：管路为碳钢，即仪表显示 0、碳钢，然后按确认键 （具体材质见说明书 号窗口， 号窗口， 号窗口， 按 按FT 9页菜单口口） 选择被测管路衬材，输入方法同（ 选择流体类型，输入方法同（6） 选择探头类型，按确认键，选择“ 6)。 5,插入 ，进入40号窗口，窗口显示阻尼系数，按确认键 输 (13)按▼ /- 1,固化参数并总使用” 键进入 按叵
空间控制技术与应用 Aerospace Con tro l and Applicati o n 第37卷 第1期2011年2月 小管径高精度超声波流量计设计 丁凤林1 ,李宗良1 ,魏延明1 ,宗光华 2 (1.北京控制工程研究所,北京100190; 2.北京航空航天大学机器人研究所,北京100191) 摘 要:航天器推进剂在轨剩余量测量一直是航天器在轨管理所面临的一个难题.提出采用超声波流量计测量推进剂在轨剩余量的方法,并给出了超声波流量 计的设计方案.设计的新型超声波流量计结构,通过改变超声换能器的安装方式,从而延长了超声波传播路径,减少了传播过程中超声波的衰减.通过以单片机和FPGA 为主控制器、以高精度时间测量芯片作为数据采集模块的流量计软硬件系统实现了超声波流量计对液体流量的高精度测量.通过恒速测试、交变流速测试和总量测试表明,该系统测量精度达到了0.5%,可满足目前航天器推进系统推进剂剩余量的在轨测量要求. 关键词:超声波流量计;流量测量;时间差法中图分类号:V448 文献标识码:A 文章编号:1674 1579(2011)01 0028 05DOI :10.3969/.j i s sn .1674 1579.2011.01.006 D esign of H igh Accuracy U ltrasonic F l owm eter DI N G Feng lin 1 ,LI Zong liang 1 ,W E I Yanm ing 1 ,ZONG Guanghua 2 (1.B eiji n g Institute o f Con trol Eng i n eeri n g,B eijing 100190,China; 2.Robotics Institute,B eihang Un i v ersit y ,B eijing 100191,China) Abst ract :I n or der to so lve the proble m s of sho rt propagation path and diffic u lties in m easuring the transit ti m e when a trad itional Z ultrason ic flo wm eter is used for s m a ll cali b erm easure m en,t a ne w u ltrasonic fl o wm eter is desi g ned .Propagation path is ex tended and the attenuation o f ultrason ic i n tensity is reduced by alteri n g the transducer s installati o n.The high precisi o n flo wm eter contro l syste m is desi g ned by usi n g FPGA as the m ain contr o ller and h i g h accuracy ti m er as t h e ti m e i n ter va lm easure m ent contro ller .The experi m en ts o f constant speed tes,t alter nate flo w rate test and gross fl o w rate test to ultrasonic flo wm eter are i m ple m en ted .The m easure accuracy o f u ltrasonic flo wm eter is about 0.5%.K eyw ords :ultrasonic flo wm eter ;flo w rate m easure ;transit ti m e m et h od 收稿日期:2010 10 14 作者简介:丁凤林(1980 ),男,内蒙古人,工程师,研究方向为航天器推进技术(e ma i:l cast_di ng @yahoo .co https://www.doczj.com/doc/e718201649.html,). 对在轨卫星的液体推进剂剩余量进行准确可靠的监测,是对卫星寿命进行预估的重要因素,也是航天技术发展的必然要求,更是确保卫星有效使用和航天任务全面完成的重要条件.目前普遍使用的推进剂在轨剩余量测量技术为气体状态方程法(PVT 法)和记帐法(B K 法),这两种方法的测量设备简单,对卫星推进系统硬件没有特殊要求 [1] .由于贮箱形变、气体压缩因子和气体在液体中的溶解度、星上贮箱温度和压力采样不精确等因素的影响,P VT 法的测量误差大于2%;BK 法在实际应用时,需要引用推进系统的地面实验数据并有赖于星上推力器 性能稳定,再加上空间环境、推力器性能变化等诸多因素的影响,BK 法误差大于4% [2] . 超声波流量计是利用液体流动对超声波脉冲或 28