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超声波流量

一种高精度超声波流量计时间测量方法

时间:2013-11-02 11:07:03  来源:

1引言

  用非介入式超声波流量计测量液体流量,是把超声波传感器夹装在被测管道的外侧,利用超声波在流体中传播时所载的流体信息来测量液体流量的。因为测量中不破坏流体现场、安装和使用方便,动态测量能力强,故此对压力高、危险性流体的流量测量更具有优越性。时差式超声波流量计的测量原理是利用超声波在穿过流动的液体时,沿顺流方向和逆流方向传播速度的不同,导致传播时间的不同来测量管道内液体流量的。对于传播时间的测量精度直接影响着流量计的测量精度和测量范围。为此研究了一些提高时差法测量精度的方法和措施,以达到高精度测量液体流量的目的。

  2时差法测量原理

  时差法测量流体流量的原理如图1所示。

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       超声波传感器A、B成对地安装在管道的两侧,交替地发射和接受超声波信号。若传感器B沿顺流方向发射超声波,超声信号从B顺流传播到A所需时间设为 ;再从传感器A沿逆流方向发射超声波,超声波传播B到所需时间设为 ,则有:

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   (1式中: :声波传播路径的长度;c:声波在静止液体中的传播速度; 液体沿管道轴向的速度; :流体在声道方向的速度分量; :声波传播方向与管轴线之间的夹角。

  由公式(1)可知,只要测出 、 就可计算出 ,然后计算出管道截面上的平均面流速,从而求得流体的瞬时流量和累积流量。由公式(1)还可以看出超声波正反向传送的时间 、 的测量精度直接影响着流速 的测量精度和测量范围。

  3硬件电路组成

  测量系统的硬件结构如图2所示,系统主要包括两部分。一部分由单片机89c51系统构成主控电路。由它实现人机界面交互,产生定时信号,并对数据进行各种补偿、计算、分析处理、存储、显示及整个仪器的控制协调工作。另外一部分主要由超声波发射电路和信号接收处理部分组成。测量过程简述如下:测量前,通过键盘和液晶显示器进行人机对话,输入管道的壁厚、外径、管材和液体声速等数据,显示器便显示出传感器的安装尺寸,按此尺寸安装好传感器。开始测量,单片机每隔一定时间给出信号使发射电路发射一次超声波脉冲,开关控制电路使A、B两个传感器交替处于收发状态。而在发射信号的同时启动计数器开始计数,直到接收传感器收到信号后计数器停止计数。然后根据计数值经过计算就可求得液体流量。

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  4高精度测量技术

  下面介绍提高测量精度和测量管经范围的一些有效方法。

  4.1 增长超声波传播路径

  对细管径为了扩大超声波行程、提高测量精度,把A、B两个传感器安装成“V”字型,如图3所示。即把A、B成对地安装在管道的一侧,并把声道布置在管道直径上。超声波从传感器A经管壁进入管道内传输,遇管壁经过一次反射(或多次反射)传到接收传感器B,转变为电信号。

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  4.2 采用高速的FPGA芯片

  如前所述,要精确的测量时间必须有高速的计数器,而使用普通的TTL集成电路因其工作频率低,不能制作高速计数器。例如速度最快的74F161,最高工作频率也只有90MHz,实际上由于分布参数的影响,并考虑到各个元件之间在时序上的配合,其最高工作频率还会下降,因此无法实现高速计数。为此设计中采用FPGA(现场可编程门阵列)芯片来制作高速计数器。由于FPGA芯片内部的工作频率接近千兆赫兹,因此可实现高速计数,从而提高测量精度和测量范围。计数模块内的全部功能是基于EDA(电子设计自动化)技术,用VHDL(硬件描述语言)编写完成的。

  高速计数器的设计思路是在较低的外部时钟频率下实现高速计数,其原理是基于数字移项技术。所谓移项是指多路同频信号,以其中的一路作为参考,其它多路信号相对该信号在时间上做超前或滞后的移动形成相位差,原理如图4所示。设外部输入时钟CK0的周期为T.由图4可知由于待测脉冲的上升沿位置是随机的,一般不会恰好落在时钟信号的边沿上。因此带来测量误差,最大误差为 T.显然提高时钟频率可以减小测量误差。为此,利用芯片内的高精度数字锁相环,实现芯片内时钟的零传输延时和移项。把CK0移项后得到CK1、CK2、CK3.这4路时钟的相位彼此相差T/4.每一个时钟后接一个D触发器,待测脉宽的上升沿作为触发器的触发信号。此外,CK0还后接24位计数器。由图可以看出,待测脉宽上升沿到达后,4个触发器便有4种不同的组合值。由此组合值可以判断出开始计数时,待测脉冲的前沿在时钟的哪1/4周期中。这种方法等效于将时钟频率四倍频,因而误差降为原来的四分之一。同时该法可以保证外部的时钟频率不变,避免时钟频率的提高带来的其它问题。本系统时钟频率是160MHz,其等效时钟频率是640MHz,测量的最大误差是1.56ns.

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  4.3 其它措施

  尽管超声波发射电路的电压比较高,但接收传感器接收到的电压信号,只有几毫伏至几百毫伏。因此接收电路需要对接收到的信号进行放大。放大电路由限幅电路、前置放大,带通滤波,程控放大,脉宽检测,过零比较等电路组成。超声波收发脉冲的两个前沿的差值即是超声波的传输时间。而接收传感器收到的是正弦波,其瞬时值和放大倍数有关,如果采用通常的幅度鉴别技术,形成接收脉冲,可能因为放大倍数的差异或干扰带来测量误差或误判。因为干扰信号的幅度可能也比较大,但是宽度却是随机的。因此,先对收到的信号放大再进行脉冲鉴宽,排除干扰,然后进行过零比较可以提高测量精度。另外,软件编程时依据输入的管经等参数进行计算,给出超声波传输时间的最小值,在该时间之后才允许接收传感器接收信号,这样可以消除该段时间内的干扰信号所带来的误判,进一步提高测量精度;第三,因为每次测量时间很短,流量短时不会出现很大的变化,所以软件编程时可以对多次测量值比较,踢出相差很大的数值,然后计算出多次测量的平均值即是实际的流体流量。

  5结束语

  本系统采用多种措施提高超声波流量计的测量精度,实现了用时差法精确地测量液体流量的目的,系统具有操作简单,成本低,使用方便的优点。实验结果表明,测量精度完全能够达到设计要求。



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