超声波流量计新技术
——线性时间放大法
李长奇,马 晶
(中环天仪股份有限公司,天津300384)
摘要:时差法超声波流量计具有非接触测量、无压损、可测不导电介质等优点,因此被广泛应用于各种工业现场。
但由于受到计时器分辨力的影响,测量精度相对较低。而高精度的超声波流量计电路设计困难,而且功耗大,成本高。为此,本文阐述了一种利用线性时间放大法提高超声波流量计时间分辨力的基本原理和电路实现,这种方法可以大大降低电路对于计时器分辨力的要求,而且具有低成本、低功耗、测量精确等特点,可以用来以开发高精度的商用超声波流量计。
关键字:工业自动化仪表与系统;超声波流量计;线性时间放大;分辨力
New Technology of Ultrasonic Flowmeter—Linearity Time
Amplifying Method
LI Changqi, MA Jing
(Zhonghuan TIG CO, LTD, TianJin 300384, China)
Abstract: The time-difference-type sonic flowmeter is used in a lot of industry locale widely, owing to it can measure flow untouch,and have no press lose,and can measure unelectric medium.But its precision is lower correspondingly,due to the resolving power of calculagraph.And the sonic flowmeter circuit having high precision design difficulty, furthermore it has a big power expending and high cost.So we expatiate a linear time amplifying method and its circuit design to improve the time resolving power of sonic flowmeter.This method can play down the request of the calculagraph resolving power. Furthermore it has a low cost,a low power expending ,and a high precision.It can be used to empolder high precision sonic flowmeter for business.
Keywords: industrial automation instrument and system, sonic flowmeter, linear time amplifying, resolving power
1 引言
时差法超声波流量计是以“速度差法”为原理,通过测量正程和逆程超声波传播的时间差来计量圆管道内流体流量的仪表。在这类仪表中,测量时间的分辨力是流量计的一项重要指标。因为精度一般不会优于分辨力,所以提供分辨力才有可能提供整机精度。
作者简介:李长奇,男,学士,助理工程师,从事工业自动化仪表的研究工作。
目前可供计量用的超声波流量计都采用了时差法。这种流量计进入市场的历史并不长,究其主要原因在于超声波自身的分辨力太低[1]。这不仅限制了整机精度,而且限制了下限量程的降低,特别是对于声程更短的小口径流量计,受分辨力限制,更难以实现。总之,提供超声波流量计的分辨力是这类仪表的必备技术之一。
利用高性能单片机软硬件技术,设计一种“时间放大电路”,可以提高超声波的分辨力。这一硬、软件结合的技术,已经在超声波流量计中得到实用。
2 影响超声波流量计分辨力的主要因素
以对射式双探头超声波流量计为例,时间T 为声程L 与声速V 之比:T =L /V 。
在圆形管道中,声程与管道直径D 和探头中心联线与管道中心线的空间安装夹角θ有关:L =D /sin θ。而管道中的超声波声速V 则是静态声速c 和流体v 的矢量和: V =c +vcos θ。
于是可导出在两超声探头之间L 上的正程测量时间T 1和逆程测量时间T 2:
θ
θcos sin /1v c D T += θθcos sin /2v c D T ?= 联立两式,略去微小项,于是逆、正程的时差为:
v K v c Dctg T T ?=?=?2
122θ 其中K 为常数。可见管道内的流体流速v 与时差近于正比关系。而且只有提高时差的分辨力,才可能提高流速v 的精度。
假定管道内流体的流速v =0.5m/s ,声速为c =1450m/s ,探头对射角度θ=45°,管道直径为D =0.15m ,可通过公式计算得△T =71ns ,如果要求0.5%的分辨力,则时间的最小分辨率需要达到d =0.356ns 。这样的时间分辨力,如果用计时器直接计时,时钟频率需要达到3000M ,这样的电路设计是很困难的。 3 提高时间分辨力的几种方法
3.1 提高时基法
提高处理器计时脉冲的频率是提高分辨力的可选方法之一,例如提高整个系统的晶振频率。处理器晶振频率的高低直接影响着计时器的计时分辨力。这种方法简单实用,但是受到器件最高工作频率的限制,分辨力的提高是有一定限度的。过去工业仪表通常选用8位单片机作处理器,其工作频率较低,一般在12MHz 以下,对超声波分辨力的提高有限[1]。近年来,16位乃至32位单片机的出现,极大的提高了器件最高工作频率,选用高速处理器可以提高仪表的分辨力。
超声波流量计,特别是水超声流量计对时间分辨力有很高的要求,一般都要求能够分辨到ns 级,也就要求处理器时基在1000MHz 以上。像这样的处理器很少见,价格昂贵,电路设计复杂。所以很难单纯依靠提高时基信号频率的方法来彻底解决仪表的分辨力问题。
3.2 游标法
游标法测时原理与游标卡尺测距原理类似。两个计数器分别以频率f 1和频率f 2进行计数,频率f 1为时间的粗测(相当于游标卡尺的主尺),频率f 2为时间的细测(相当于游标卡尺的游标)。频率f 1和频率f 2的差别要求要很小,其关系为:
2111)12(2f f n n +=??
式中,n 为游标计数器的位数。
当计时开始时,主计数器对频率f 1进行计数,当计时停止时,游标计数器对频率f 2进行计数,同时由一个相位比较器对频率f 1和频率f 2进行比较,一旦两个频率信号的相位相同,立即停止计数,存下主计数器的数值n 1和游标计数器的数值n 2,那么,计时为:
2
211f n f n t ?= 3.3 专用时间芯片法
近年来,超声波流量计广泛采用集成电路时间芯片TDC-GP2[1]进行测量计时。TDC-GP2是一种专用于超声波流量计或超声波热量表的计时芯片,它可以提供双通道或单通道典型分辨力50ps 的时间测量,有很多超声波流量计采用了此芯片进行时间测量。
4 时间放大法
时间放大法一般是指双积分时间放大法,此方法的原理波形见于图1。设图1中发射信号与接收信号之间所对应的微小时间为t 1,它被放大100倍得到t 2。则若t 1对应计时器计数为n ,而用相同的计数器在t 2期间对超声脉冲计数,计数值将在100n ~(100n +99)之间。可见这种检测方法增加了两位有效数字。在这种电路中,第一次积分是在图1的t 1期间,以恒定积分常数τ进行正向积分;积分结束后,立即以100τ的积分常数反向积分到0V 时刻为止,则反向积分时间t 2=100t 1。这就实现了时间的比例放大,在相同的计时频率下,实现了时间采样分辨力的提高。
一般情况,这种双积分时间放大法,会利用电容器作为储能元件,在t 1时间内,控制充电开关通过一个小电阻对电容充电,t 1到达时,停止充电,电容电压达到最高,然后断开充电开关,控制放电开关通过一个大电阻缓慢放电直到0V ,即为时间t 2,实现了时间放大。为使对应不同的充电时间均以相同的比例被放大,则电容器必须要保持线性或近似线性充放电。然而,RC 电路的充放电规律为指数变化,只有在以恒定电流充放电[2]的情况下,才可以近似按照线性充放电处理。注意到图2展示了一种通过恒流源控制电容线性充放电,从而实现线性时间放大的电路。
图1 双积分时间放大法波形原理图
图2中,输入脉冲控制电子开关U1的导通截止。电阻R2和电容C1以及运算放大器NV1,组成了一个充电的恒流源,电阻R1与电容C1以及运算放大器NV1,组成了一个放电恒流源。当信号V i 输入高电平时,电子开关导通,充电恒流源以恒定的电流对电容C1进行充电,同时放电恒流源对电容C1进行放电;当信号V i 输入低电平时,电子开关开路,充电恒流源不再充电,放电恒流源仍对电容C1进行放电。那么假如充电时间为t 1,那么放电时间为12
1t R R t ?=。由于在充电时,放电恒流源也在工作,实际充放电的比例关系为12
12)1(t R R t ??=。这个信号在比较器NV2的作用下,能够翻转出相应时间放大倍数的方波,实现了时间的线性放大。
图2 双积分时间放大电路图
5 结束语
本文通过与几种提高时间分辨力方法的对比,可以发现双积分时间放大法,成本低,功耗小,电路简单易行,稳定性好,是一种行之有效的提高超声波流量计分辨力的方法。它可以避免采用高频器件带来的一系列成本及电路上的困难。
参考文献
[1] 贾华,王双存,李长奇,等.基于单片机提高超声波分辨力的方法研究[J].单片机开发与应用,2009,25(5-2):105-107.
[2] 韩绍坤,赵跃进,刘巽亮,等.时间比例放大法在脉冲激光测距中的应用[J].火控雷达技术,2004,33:5-8.
各类超声波流量计说明书 超声波流量计种类有很多,有便携式,手持式,一体式,分体式等,以下是几种超声波流量计的具体技术参数说明。 便携式超声波流量计: 一、概述: TCS-600P型便携式超声波流量计采用国际上最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。精确度高、重复性好,内置一体式智能打印机可实时、定时打印;具有全中文显示、功能强大、一致性好、操作简单、携带方便、电池工作时间长等特点。适用于各种工业现场的在线标定和巡检测量。 二、基本技术参数: ※测量精度:优于1% ※重复性:优于0.2% ※测量周期:500ms(每秒2次,每个周期采取128组数据) ※电池:内置镍镉充电电池可以连续工作24小时 ※安装方式:外敷安装,操作简单、方便 ※显示:2行汉字同屏显示瞬时流量、累计流量、信号状态 ※信号输出:隔离RS485通信协议、MODBUS协议,兼容国内其它厂家同类产品通讯协议 ※打印输出:内置热敏一体式打印机,实现及时或定时打印 ※其它功能:自诊断,提示当前工作状态是否正常
※采用智能充电方式,直接接入AC 220V,充足后自动停止,显示绿灯三、外型尺寸及标准配置: 手持式超声波流量计: 一、概述: TcS-600B型手持式超声波流量计采用国际上最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。精确度高、重复性好,具有全中文显示、功能强大、一致性好、操作简单、携带方便、电池工作时间长等特点。适用于各种工业现场的在线标定和巡检测量。 二、基本技术参数
※测量精度:优于1% ※重复性:优于0.2% ※测量周期:500ms(每秒2次,每个周期采取128组数据) ※电池:内置镍镉充电电池可以连续工作15小时 ※安装方式:外敷安装,操作简单、方便 ※显示:4行汉字同屏显示瞬时流量、累计流量、信号状态 ※其它功能:内置数据记录器可记录时间、累计流量、信号状态、工作时间等 自诊断,提示当前工作状态是否正常 ※信号输出:标准数据口RS232用于联网检测或导出记录数据 ※采用智能充电方式,直接接入AC220V,充足后自动停止,显示绿灯三、外型尺寸及标准配置: 固定式超声波流量计,分体式超声波流量计: 一、概述: TCS-600F型固定分体式超声波流量计利用了低电压、多脉冲发射接收原理,采用双平衡信号差分发射、接收专利技术和硬件参数无关化设计方法;通过选用国际上最新、最先进的大规模集成电路和先进的SMD贴装焊接工艺生产而成。
超声波流量计工作原理及常见问题概述 一、工作原理 1、概述 超声流量计是一个测量仪表,它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。这些传感器都安装在管壁上,每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。 由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收,反过来也如此。Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案,在对面的管壁处声脉冲有一次反射。此方案使声道的总长度增加,从而能改善分辨率(灵敏度)并拓宽流量计的范围度,如图2-1所示。 图2-1 信号反射路径 2 、流速的测量 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;这样就有: L tD = ——————— -------------- (2.1) C + V ? cos 和 L tU = ——————— -------------- (2.2) C — V ? cos 式中,L代表两个传感器之间声道的直线长度,可按下式确定L: L D —— = ———— -------------- (2.3) 2 sin ^ 采用电子学手段来测量此传输时间。根据时间倒数的差,可按下式计算流速V ^ L 1 1 V = ————(—————)-------(2.4)
超声波流量计常见安装问题及解决方案 一、外夹式传感器系搜不到信号的解决办法 1.常见问题的检查 常规问题检查 检查输入参数 检查耦合剂1、用户是否使用耦合剂 2、使用耦合剂的厚度是否够,安装外夹传感器管道 处理面积小安装点中心位置2~3mm厚,处理面积较大安装点中心位置 需4~5mm厚的耦合剂。(注,高温环境要选择高温耦合剂) 准确完成10~26 号菜单的设置。获得传感器的正确安装距离,这个距离是指两传感器的最内边缘距离。准确的输入参数对测量的准确性至关重要。 管道表面处理传感器调试管外欲安装传感器的区域 (一个安装点的处理面积和探头大小差不多即可,另一个安装点的处理面积应该是探头大小的2、3 倍。以便于调试信号。) 清理干净,除掉锈迹和油漆。如有防锈层也应去掉,最好用打磨 机打磨出金属光泽,再用干净抹布擦去油污和灰尘。1、在处理面积较小的安装点的中心位置涂抹2-3mm 厚 的随机附带的耦合剂,把传感器紧贴在管壁上粘好,注意传感器的发射方向要正确,传感器和管壁之间不 能有空气及沙砾。粘完后用钢带或钢丝绳紧固 2、在处理面积较大的安装点的中心位置涂抹4-5mm 厚的随机附带的耦合剂,以中心点为基准首先在水平方向轻微移动传感器找到信号强度和Q 值的最大值,然后在垂直方向轻微移动传感器找到信号强度和Q 值的最大值。然后 轻微调整传感器的发射角度找到信号强度和Q 值的最大值。这时就可以将外夹式传 感器定位。 安装距离
考虑安装点问题 满管测量点的流体必须充满管段,否则测量值会偏大或 者不能测量。 1、两个传感器应该安装在管道轴面的水平方向上 2、选择流体垂直向上流动的安装点;选择流体斜向上流动的安装点;选择管道系统中的最低点安装。 稳流管道远离泵出口、半开阀门,上游10D,下游5D(D为外管径);距离泵出口、半开阀门30D。 达不到稳流条件的标准要求,下列情况也可以尝试测量: 1、泵出口、半开阀门和安装点之间有弯头或者缓冲装置; 2、泵的入口、阀门的上游; 3、流体的流速为中、低流速。 (低流速:流速<1m/s;中流速:流速为1-2m/s;高流速:流速>2m/s) 结垢要尽量避免选择管道内壁结垢的地方 作为安装点。 如果无法避开结垢的安装点 1.更换一段测量点的管道。 2.用锤子用力敲击测量点的管道直到测量点的信号明显增大。 3.选用Z法测量,并把结垢设置为衬里以取得更好的测量精度。 温度、干扰1、尽量选择温度更低的安装点。 2、尽量远离这些干扰源:变频器、电台、电视台、微波通讯站、手机基站、高压线等 3、不要和变频器采用同一路电源,应采用隔离的电源,给主机供电
目录 1. 概述 (1) §1.1 引言 (1) §1.2 主要特点 (1) §1.3 工作原理 (1) §1.4 装箱单(标准配置) (2) §1.5 正面视图 (3) §1.6 典型用途 (3) §1.7 数据的完整性和内置时钟 (3) §1.8 产品的识别 (4) §1.9 基本技术参数 (4) 2.开始测量 (5) §2.1 内置电池 (5) §2.2 通电 (5) §2.3 键盘 (6) §2.4 窗口操作 (6) §2.5 快速输入管道参数步骤 (7) §2.6 传感器安装位置的选择 (9) §2.7 传感器的安装 (10) §2.7.1 传感器的安装距离 (10) §2.7.2 V方式安装传感器 (10) §2.8.3 Z方式安装传感器 (11) §2.8.4 W方式安装传感器 (11) §2.8.5 N方式安装传感器 (12) §2.8 检查安装 (12) §2.8.1 信号强度 (12) §2.8.2 信号质量(信号良度) (13) §2.8.3 总的传输时间和时差 (13) §2.8.4 传输时间比 (13) 3.菜单窗口详解 (14) §3.1 菜单窗口简介 (14) §3.2 菜单窗口详解 (15) 4.怎样使用 (20) §4.1 怎样判断流量计是否工作正常 (20) §4.2 怎样判断管道内的液体流动方向 (20) §4.3 怎样改变系统的测量单位制 (20) §4.4 怎样选择流量单位 (20) §4.5 怎样选择累积器倍乘因子 (20)
§4.6 怎样打开和关闭累积器 (21) §4.7 怎样实现流量累积器清零 (21) §4.8 怎样恢复出厂设置 (21) §4.9 怎样使用阻尼器稳定流量显示 (21) §4.10怎样使用零点切除避免无效累积 (21) §4.11怎样静态校准零点 (21) §4.12怎样修改仪表系数(标尺因子)标定校准 (22) §4.13怎样使用密码保护 (22) §4.14怎样使用内置数据记录器 (22) §4.15怎样使用频率输出功能 (22) §4.16怎样设置累积脉冲输出 (23) §4.17怎样产生输出报警信号 (23) §4.18怎样使用蜂鸣器 (24) §4.19怎样使用OCT输出 (24) §4.20怎样修改日期时间 (24) §4.21怎样调整LCD显示器的对比度 (25) §4.22怎样使用RS232串行口 (25) §4.23怎样查看每日、每月、每年流量 (25) §4.24怎样使用工作计时器 (25) §4.25怎样使用手动累积器 (25) §4.26怎样了解电池剩余电量的工作时间 (25) §4.27怎样给电池充电 (25) §4.28怎样查看电子序列号和其他细节 (26) 5.问题处理 (27) §5.1硬件上电自检信息及原因对策 (27) §5.2工作时错误代码(状态代码)原因及解决办法 (27) §5.3 其他常见问题问答 (28) 6. 联网使用及通信协议 (30) §6.1 概述 (30) §6.2 流量计串行口定义 (30) §6.3 通信协议 (30) §6.4 功能前缀和功能符号 (32) §6.5 键值编码 (33) 7. 质量保证及服务维修支持 (34) §7.1 质量保证 (34) §7.2 公司服务 (34) §7.3 软件升级服务 (34)
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