【正文】 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 27 頁(yè) 超聲波測(cè)量流體流量 畢業(yè)論文 研究利用超聲波測(cè)量流體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。 1928 年 ， 法國(guó)人 研制成功了世界上第一臺(tái)超聲流量計(jì)。但為了使超聲波流量計(jì)有一定的精度，時(shí)差法超聲波流量計(jì)要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量至少有 10mS，這在當(dāng)時(shí)是很難做到的。 1955 年，應(yīng)用聲循環(huán)法的 MAXSON 流量計(jì)在美國(guó)研制成功，用于航空燃料油流量的測(cè)量。 50 年代末期，超聲波流量計(jì)由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用時(shí)期。但由于電子線路太復(fù)雜而未占有牢固的地位 [1]。 進(jìn)入 20 世紀(jì)的 70 年代以后，由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，高 精度的時(shí)間測(cè)量成為一件輕而易舉的事，再加上高性能、工作非常穩(wěn)定的鎖相技術(shù) (PLL)的出現(xiàn)與應(yīng)用 ， 使得超聲波流量計(jì)的可靠性得到了初步的保證，同時(shí)為了消除聲速變化對(duì)測(cè)量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲流量計(jì)。鎖相頻差法 測(cè)量周期短，響應(yīng)速度快，而且?guī)缀跬耆寺曀賹?duì)測(cè)量精度的影響， 因而這種方法成為測(cè)量大管徑大流量超聲流量計(jì)的主要方案 ， 缺點(diǎn)是測(cè)量小管徑小流量時(shí)精度得不到保證。同一時(shí)期 ， 前蘇聯(lián)科技工作者對(duì)管道內(nèi)流體的流速分布規(guī)律作了大量深入細(xì)致的研究 ， 指出管道內(nèi)流體流動(dòng)存在兩種狀態(tài) ： 層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)，并給出了層流狀態(tài) 下的理論計(jì)算公式，為超聲波流量計(jì)進(jìn)一步提高測(cè)量精度打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。至此，超聲波流量計(jì)的研究和應(yīng)用才蓬勃發(fā)展起來(lái)，超聲流量計(jì)的種類(lèi)也越來(lái)越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法及噪聲法等。其中波束偏移法是利用超聲波在流體中傳播時(shí)因流體流動(dòng)產(chǎn)生的波束的偏移量的大小來(lái)測(cè)量流量，這種方法靈敏度低，只能用來(lái)測(cè)量大管徑大流量 。多普勒法利用不純凈流體中散射體的多普勒頻移來(lái)測(cè)量流量，特別適用于不純凈流體的流量測(cè)量 ； 相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)來(lái)測(cè)量流量，測(cè)量精度高，適用范圍廣，但相關(guān)流量計(jì)線路復(fù)雜，價(jià)格昂貴 ， 一般只在要求較 高的場(chǎng)合使用 ； 噪聲法則通過(guò)檢測(cè)流體中的噪聲來(lái)測(cè)量流量 ， 這種方法線路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但精度低 ， 只能在要求不高的場(chǎng)合使用。 到了 80 年代中后期，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使超聲流量計(jì)向高性能、智能化的方向發(fā)展。由于使用了單片機(jī)作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理、進(jìn)一步提高了超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，而 且 還能設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)界面，使 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 27 頁(yè) 系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)檢錯(cuò)排錯(cuò)功能以及其他一些輔助功能，大大方便了用戶的操作和使用。單片機(jī)在超聲流量計(jì)中的應(yīng)用 ， 是超聲流量計(jì)開(kāi)始真正進(jìn)入工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。 2 課題研究背景 超聲波流量計(jì)的現(xiàn)狀 近 10 年來(lái)，基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，基于新型探頭材料與工藝的研究，基于聲道配置及流動(dòng)力學(xué)的研究，超聲流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 ， 顯示了它強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成了迅猛發(fā)展的勢(shì)頭 ， 其潛在的巨大的生命力是顯而易見(jiàn)的。 超聲流量測(cè)量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流 .體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測(cè)量流體流量的。超聲波流量計(jì)一般 .由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量 ， 將其發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收換能器接收到超聲波信號(hào) ，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供顯示和積算 ， 這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)顯示。 在國(guó)外，以美國(guó) Controlotron 公司和 Ploysonics 公司為代表的產(chǎn)品較多的采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如“同步調(diào)制”和 FFT 技術(shù)，他們廣泛的采用以 DSP 為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更快實(shí)時(shí)的處理超聲信號(hào)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的算法，如Ploysonics 公司的 DDF3088 型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計(jì)，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，能自動(dòng)識(shí)別多普勒信號(hào)與噪聲信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，采用了高分別率的 液晶顯示，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒分析。在測(cè)量方法方面有的利用改進(jìn)的時(shí)差法，用以消除速度受溫度的影響，還有將時(shí)差法與多普勒法的組合，如 Controlotron 公司研制的 480 型超聲流量計(jì)，這樣使得產(chǎn)品的實(shí)用范圍更廣。但由于國(guó)外的產(chǎn)品的價(jià)格比較高（每臺(tái)約為 5～ 10 萬(wàn)元左右），所以限制了在國(guó)內(nèi)的大量使用 [2]。 目前國(guó)內(nèi)的廠家生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比較便宜，但總體性能差，主要用于測(cè)量比較容易的大管徑管道中流體的測(cè)量。他們多采用的方法是時(shí)差法，以單片機(jī)為系統(tǒng)核心進(jìn)行信號(hào)處理。但由于受單片機(jī)速度的限制，所以只能 進(jìn)行一些比較簡(jiǎn)單的算法，如通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的計(jì)算。同時(shí)由于一般的時(shí)差法受溫度的影響比較大，所以在精度上面就不會(huì)很高。如南京亞楠公司生產(chǎn)的 ZLC 系列流量計(jì)是國(guó)內(nèi)率先采用多脈沖發(fā)射和接收寬帶技術(shù)，并帶有微機(jī)控制的新型超聲波時(shí)差式流量計(jì)。近幾年 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 27 頁(yè) 來(lái) 由 于 DSP 和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及以基于 DSP 為核心的數(shù)字信號(hào)處理電路技術(shù)日益成熟和廣泛使用，使得可以采用以 DSP 為處理核心的超聲波流量計(jì)來(lái)廣泛取代國(guó)內(nèi)的以單片機(jī)為核心的超聲波流量計(jì)，從而可利用數(shù)字信號(hào)處理的一些技術(shù)來(lái)改善產(chǎn)品的測(cè)量精度，如 FFT、數(shù)字濾波、插 值運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算，從而來(lái)提高系統(tǒng)測(cè)量的精度。通過(guò)這些改進(jìn)使國(guó)內(nèi)流量計(jì)的性能已達(dá)到國(guó)外的水平，從而能更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。 超聲波流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 超聲波流量計(jì)正在快速發(fā)展成為流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其是計(jì)量碳?xì)浠衔锏氖走x。ARC 這份名為《世界超聲波流量計(jì)前景展望》的主要作者、自動(dòng)化分析師 Allen Avery表示： “ 盡管超聲波流量測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應(yīng)用范圍卻非常小。而隨著用戶逐漸認(rèn)識(shí)到超聲波流量計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)，包括高精確度、無(wú)阻礙測(cè)量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀。 ” 在石油和 天然氣領(lǐng)域快速普及 最近幾年超聲波流量計(jì)市場(chǎng)的一切增長(zhǎng)，幾乎都是由于這種產(chǎn)品在石油和天然氣領(lǐng)域銷(xiāo)量的增加而帶來(lái)的 。 超聲波流量計(jì)在這一領(lǐng)域的銷(xiāo)量比起以前將近翻了一倍。由于 AGA9 監(jiān)護(hù)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的推廣，天然氣的監(jiān)護(hù)運(yùn)輸市場(chǎng)已經(jīng)基本成形。在 2020 年到 2020 年間，監(jiān)護(hù)運(yùn)輸量增加了三倍多，而這一領(lǐng)域占超聲波流量計(jì)銷(xiāo)售的 5%。只有液體碳?xì)浠衔锉O(jiān)護(hù)運(yùn)輸?shù)?API 和 OIML 標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)得到推廣，超聲波流量計(jì)才能在這個(gè)領(lǐng)域普及。 超聲波流量計(jì)具有高精確度和低總體擁有成本 不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看，超聲波測(cè)量?jī)x器都是流量 測(cè)量的理想選擇。通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會(huì)阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動(dòng)。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度使其可以檢測(cè)到管道中的任何泄漏，并可以測(cè)量和補(bǔ)充各種會(huì)影響監(jiān)護(hù)運(yùn)輸領(lǐng)域中的測(cè)量準(zhǔn)確度的變量。 亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大 亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。 中 國(guó)和印度將會(huì)在基礎(chǔ)設(shè)施和新工廠上大舉投資。 中 國(guó)能源缺乏，為了尋找推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快 速發(fā)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供應(yīng)商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠上進(jìn)行投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 27 頁(yè) 區(qū)在石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀的增長(zhǎng)。 超聲波流量計(jì)的市場(chǎng)前景 隨著石油和天然氣工業(yè)的強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，以及行業(yè)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)的逐步接受，超聲波流量計(jì)的全球市場(chǎng)總額將在今后 5 年內(nèi)以 %的復(fù)合 年增長(zhǎng)率 (CAGR)增長(zhǎng)。ARC Advisory Group 最近的一份報(bào)告指出， 2020 年該市場(chǎng)總值為 億美元，到 2020年將超過(guò) 億美元。 超聲波流量計(jì)正在快速發(fā)展成為流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其是計(jì)量碳?xì)浠衔锏氖走x。ARC 這份名為《世界超聲波流量計(jì)前景展望》的主要作者、自動(dòng)化分析師 Allen Avery表示： “ 盡管超聲波流量測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應(yīng)用范圍卻非常小。而隨著用戶逐漸認(rèn)識(shí)到超聲波流量計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)，包括高精確度、無(wú)阻礙測(cè)量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀。 ” 石油 和天然氣領(lǐng)域快速普及 ， 最近幾年超聲波流量計(jì)市場(chǎng)的一切增長(zhǎng)，幾乎都是由于這種產(chǎn)品在石油和天然氣領(lǐng)域銷(xiāo)量的增加而帶來(lái)的 ,超聲波流量計(jì)在這一領(lǐng)域的銷(xiāo)量比起以前將近翻了一倍。由于 AGA9 監(jiān)護(hù)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的推廣，天然氣的監(jiān)護(hù)運(yùn)輸市場(chǎng)已經(jīng)基本成形。在 2020 年到 2020 年間，監(jiān)護(hù)運(yùn)輸量增加了三倍多，而這一領(lǐng)域占超聲波流量計(jì)銷(xiāo)售的 5%。只有液體碳?xì)浠衔锉O(jiān)護(hù)運(yùn)輸?shù)?API 和 OIML 標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)得到推廣，超聲波流量計(jì)才能在這個(gè)領(lǐng)域普及。 超聲波流量計(jì)具有高精確度和低總體擁有成本 ， 不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看，超聲波測(cè)量?jī)x器都 是流量測(cè)量的理想選擇。通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會(huì)阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動(dòng)。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度使其可以檢測(cè)到管道中的任何泄漏，并可以測(cè)量和補(bǔ)充各種會(huì)影響監(jiān)護(hù)運(yùn)輸領(lǐng)域中的測(cè)量準(zhǔn)確度的變量。 亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大 ， 亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。中國(guó)和印度將會(huì)在基礎(chǔ)設(shè)施和新工廠上大舉投資。中國(guó)能源缺乏，為了尋找 推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供應(yīng)商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠上進(jìn)行 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 27 頁(yè) 投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀的增長(zhǎng)。 設(shè)計(jì) 方案 及分析 超聲流量計(jì)的分類(lèi) 超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量主要依據(jù)是：當(dāng)超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就會(huì)載有流體 流速的信息。超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)的發(fā)生、傳播及檢測(cè)有著各種不同的設(shè)置方法，從而構(gòu)成了不同原理的超聲流量計(jì)，其大致可分為傳 播速度差法（包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法），多普勒法，相關(guān)法等等。 傳播速度差法 傳播速度差法是根據(jù)超聲波在流動(dòng)的流體中，順流及逆流傳播時(shí)的速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速或流量的方法。按其所測(cè)的物理量的不同，傳播速度差法又可分為 (直接 )時(shí)差法、相位差法和頻差法三種。時(shí)差法就是直接測(cè)量超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差，它適用于大、中口徑管道及明渠流量的測(cè)量，但時(shí)差法流量計(jì)受溫度的 影響較大，流體溫度變化對(duì)這種系統(tǒng)測(cè)量精確度的影響是不能忽視的，實(shí)驗(yàn)表明，在使用在機(jī)玻璃聲楔的條件下，流體溫度每變化 10℃ ，就會(huì)給測(cè)量增加 1%左右的誤差，并且聲速的溫度系數(shù)不是常數(shù) 。另外，當(dāng)流體 的組成或密度變化時(shí)，也將引起聲速的變化，從而影響測(cè)量精度。 其發(fā)展方向是提高計(jì)時(shí)精度和設(shè)法降低溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。頻差法是通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)頻率之差來(lái)測(cè)得流量。頻差法精度高、受溫度影響較小，但受環(huán)境影響較大，工作不穩(wěn)定。相位差法通過(guò)把時(shí)間差轉(zhuǎn)換為相位差，避免了測(cè)量微小的時(shí)間差，可提高測(cè)量的精度，但受溫度的影響依然很大。 多普勒法 多普勒法利用的是聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體的超聲波多普勒頻移來(lái)確定流體的流量。這一技術(shù)已在醫(yī)療儀器上得到了重要的應(yīng)用，多普勒流速計(jì)現(xiàn)在已成非觀血的、無(wú)侵襲的臨床測(cè)量血流的重要手段。在工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域中，多普勒流量計(jì)可以用來(lái)測(cè)量含泥沙的河水、污水等含有較大顆粒的流體流量。但是，多普勒流量計(jì)多數(shù)情況下測(cè)量精度不高。 其工作原理是流體管道內(nèi)任何流動(dòng)的液體都存在不連續(xù)的擾動(dòng)，諸類(lèi)不連續(xù)的擾動(dòng)可以是懸浮的固體顆粒，氣泡或由于流體擾動(dòng)而引 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 27 頁(yè) 起的界面，這種擾動(dòng)使反射的超聲 波產(chǎn)生頻移 f? ， 頻移 f? 是流速的線性函數(shù)。通過(guò)測(cè)量頻移 f? ，即可測(cè)量管道內(nèi)流速（或流量）。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，多普勒超聲波流量計(jì)的發(fā)展不僅可測(cè)量帶懸浮顆粒及氣泡的污濁液體，也可測(cè)量純凈流體。大洋伯斯特 DS 多普勒流量計(jì)就具備這種特點(diǎn)。 相關(guān)法 相關(guān)法利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動(dòng)噪聲現(xiàn)象，將流體的流速測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為流體通過(guò)相距一定距離的兩截面的時(shí)間間隔的測(cè)量 問(wèn)題，運(yùn)用相關(guān)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流體流速的在線測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理，流速的測(cè)量精度主要取決于渡越時(shí)間和兩個(gè)平行的超聲波波束之間距離的測(cè)量精度。由于是測(cè)量?jī)蓚€(gè)固定波束之間的渡越時(shí)間，因此，測(cè)量結(jié)果不受流體中聲速變化和流體性質(zhì)的影響，但流體的流場(chǎng)分布影響流速的測(cè)量精度。由于超聲波互相關(guān)流量計(jì)的這些特點(diǎn)，其應(yīng)用前景非?？春?，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域加大投資，尤其是德國(guó)和英國(guó)，在此領(lǐng)域進(jìn)行了較全面的研究工作，其中德國(guó)科學(xué)研究院 1998