【正文】 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第一章緒論 流量計(jì)的發(fā)展概述 自古以來(lái)測(cè)量都是人類(lèi)文明的一種標(biāo)志，是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它廣泛存在于水利，化工，農(nóng)業(yè)，石油，冶金以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域之中，一直得到世界各國(guó)政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強(qiáng)。早在公元前1000年埃及人就開(kāi)始利用堰法測(cè)量尼羅河的流量來(lái)預(yù)報(bào)年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測(cè)量流量。1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以伯努利方程為依據(jù)，利用差壓法測(cè)量水流量；后來(lái)意大利人文丘里研究用文丘里管測(cè)量流量，并于1791年發(fā)表了研究成果；1886年，美國(guó)人赫謝爾用文丘里管制成測(cè)量水流量的使用裝置；1911~1912年，美籍匈牙利人卡門(mén)提出卡門(mén)渦街的新理論；30年代,又出現(xiàn)了探討用聲波測(cè)量液體和氣體的流速的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲很大進(jìn)展。 第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，流量計(jì)量日益受 到重視，流量?jī)x表隨之迅速發(fā)展起來(lái)，測(cè)量?jī)x表開(kāi)始向精密化、小型化等方向發(fā)展。 目前國(guó)外投入使用的流量計(jì)有100多種，國(guó)內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近50種。隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，管道化的發(fā)展，流量?jī)x表在整個(gè)儀表生產(chǎn)中所占比重越來(lái)越大。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料表明，在不同的工業(yè)部門(mén)中所使用的流量?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)的1530％。 但是，由于流量測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計(jì)量提 出更新更高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì) 量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。目前主要存在如下問(wèn)題：流量?jī)x表的品種、規(guī) 格、準(zhǔn)確度和可靠性尚不能滿足生產(chǎn)要求，特別對(duì)腐蝕性流體、臟污流體、高粘 性流體、多相流體、特大流量、微小流量等，有待發(fā)展有效的測(cè)量手段。 我國(guó)開(kāi)展近代流量測(cè)量的技術(shù)比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國(guó)外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30年代中期才出現(xiàn)光華精密機(jī)械廠所制造的家用水表，五十年代初有了新城儀表廠所開(kāi)發(fā)的文丘里管差壓流量計(jì)，60年代渦輪、電磁流量計(jì)的生產(chǎn)。至今，我國(guó)已經(jīng)形成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測(cè)量技術(shù)與儀表研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，從事流量?jī)x表研究和生產(chǎn)的單位超過(guò)230家。目前我國(guó)的流量裝置方面。與國(guó)際水平仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)品的品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，一些新型的流量計(jì)，如渦街流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、射流 流量計(jì)等的技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費(fèi)支持并通過(guò)艱苦的努力，才有可能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 超聲波流量計(jì)的概述 超聲波流量計(jì)的發(fā)展和現(xiàn)狀 超聲波流量計(jì)（簡(jiǎn)稱(chēng) USF）是利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)測(cè)量流量的計(jì)量?jī)x表。憑借其非接觸測(cè)流、儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)、精度高、測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等自身的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 1931年， 發(fā)表的德國(guó)專(zhuān)利是關(guān)于利用聲波測(cè)量管道流體流量最早的參考文獻(xiàn)。但是要使超聲波流量計(jì)具有一定的精度，要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度至少達(dá)到107秒，這在當(dāng)時(shí)是很難達(dá)到的；50年代初，美國(guó)科研人員首次提出了“鳴環(huán)”法，就是通過(guò)多次循環(huán)將時(shí)差擴(kuò)大在進(jìn)行測(cè)量，這種方法彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的不足，使得時(shí)間測(cè)量精度得以大大提高。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法MAXSON 流量計(jì)在美國(guó)研制成功，并用于航空燃料油流量的測(cè)量，標(biāo)志著超聲波流量計(jì)已經(jīng)由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，但由于電子線路太復(fù)雜而未得到推廣。60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波流量計(jì)。 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，使得高精度的時(shí)間測(cè)量成為可能，再加上高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術(shù)（PLL）的出現(xiàn)和應(yīng)用，為超聲波流量計(jì)的可靠性提供了基本的保證，同時(shí)為了消除聲速變化對(duì)測(cè)量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲波流量計(jì)，這種流量計(jì)聲速受溫度變化的影響遠(yuǎn)小于時(shí)差法，靈敏度和測(cè)量范圍也優(yōu)于時(shí)差法，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，但是仍無(wú)法保障小管徑小流量測(cè)量時(shí)的精度。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)律作了大量深入研究，指出管道內(nèi)流體流動(dòng)存在兩種狀態(tài)：層流和紊流，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、相關(guān)法和噪聲法。 當(dāng)今全世界50多家較大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)商都集中于歐美日等國(guó)家,這些國(guó)家己經(jīng)在超聲波流量計(jì)的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，再加上它們本身所具有的在電子技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，使得它們?cè)趪?guó)際超聲波流量計(jì)市場(chǎng)上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。 我國(guó)超聲波流量計(jì)的研究起步較晚，目前我國(guó)超聲波流量計(jì)的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來(lái)隨著國(guó)外各大超聲波流量計(jì)生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進(jìn)入我國(guó)的市場(chǎng)，也帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)超聲流量測(cè)量研究的發(fā)展，但是從總體上說(shuō)，我們現(xiàn)有的技術(shù)還和國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，高精度的超聲波流量計(jì)還是國(guó)外品牌的天下，形成了低檔產(chǎn)品過(guò)剩、高檔產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口的局面。 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn) 超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量測(cè)量?jī)x表，相對(duì)于傳統(tǒng)流量計(jì)而言，它主要具有一下特點(diǎn)：① 可作非接觸測(cè)量。夾裝式超聲波流量計(jì)無(wú)需停流截管安裝，只要在管道外部安裝換能器即可，為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)額外壓力損失，這是超聲波流量計(jì)在工業(yè)用流量?jī)x表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。② 適用于大型圓形管道和矩形管道，原理上不受管徑限制，通用性好，同一儀表可以測(cè)量不同管徑的管道流量，使用時(shí)不必嚴(yán)格考慮管材和壁厚，且其造價(jià)基本上與管徑無(wú)關(guān)，更適合于大管徑、大流量的場(chǎng)合。③ 對(duì)介質(zhì)幾乎無(wú)要求。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計(jì)測(cè)量流量， 因而適用于多種流體，除了水、石油等常見(jiàn)流體外，尤其適用于其他方法不便測(cè)量的情況，例如高溫高壓、腐蝕性液體、高粘度液體或氣體等；而它可測(cè)量非導(dǎo)電性液體，在無(wú)阻撓流量測(cè)量方面是對(duì)電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充。 本課題內(nèi)容 超聲波流量計(jì)是一種很有發(fā)展前途和應(yīng)用前景的節(jié)能型流量計(jì)。然而超聲波流量計(jì)本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場(chǎng)合等?，F(xiàn)有國(guó)有的大多數(shù)超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比外國(guó)的便宜，但總體性能較差；而國(guó)外的超聲波流量計(jì)盡管在精度、性能和操作使用方面都由于國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，但因價(jià)格昂貴，也不可能在工業(yè)界大量使用。因此有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對(duì)超聲波流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和提高，使超聲波流量計(jì)性能更加穩(wěn)定，總體性能接近或者達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，以便在國(guó)內(nèi)推廣和使用?；陔y度和可實(shí)現(xiàn)性，本文采用時(shí)差法為研究課題，在綜合吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的超聲波流量測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了一下一些主要的工作：1　 超聲波時(shí)差法測(cè)流量原理研究，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問(wèn)題，利用改進(jìn)型算法避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。2　 超聲波在流體中傳播特性的分析、超聲波流量計(jì)流體力學(xué)分析及流量修正；3　 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制測(cè)量電路，包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號(hào)整形電路及系統(tǒng)控制電路等，并根據(jù)儀器本身的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境研究硬件抗干擾技術(shù)；4　 設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)儀器進(jìn)行控制和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，在軟件上采取適宜的抗干擾措施，進(jìn)一步增強(qiáng)儀器的運(yùn)行穩(wěn)定性； 第二章時(shí)差法超聲波流量計(jì)的理論研究 流量的基本概念 單位時(shí)間內(nèi)，流體流過(guò)管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量稱(chēng)為流量。流體流量可 用單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)通道橫截面的流體體積或質(zhì)量來(lái)表示，前者稱(chēng)為體積流量，用 Q 表示，單位為m 3 /s，后者成為質(zhì)量流量，用G表示，單位為kg/s。 體積流量 Q 的計(jì)算式為： 式中，A 為與流速v相垂直的通道橫截面積，m 2 ；v 為沿通道橫截面上的流體平均速度，m/s。 質(zhì)量流量G 的計(jì)算公式為： 式中，為流體密度。 超聲波技術(shù)概述 由于超聲波傳播時(shí)，其聲速、衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性與狀態(tài)有關(guān)，不同性質(zhì)的媒質(zhì)不但影響超聲波的穿透深度，也影響接收波的強(qiáng)度。因此，要準(zhǔn)確地檢測(cè)到超聲信號(hào)并非易事，在投入設(shè)計(jì)前要對(duì)超聲波及相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行介紹。 超聲波的傳播特性 超聲波通常指頻率高于20KHz的機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。因?yàn)楸菊n題主要是研究針對(duì)供水行業(yè)的超聲波流量計(jì)，所以我們只以水為介質(zhì)進(jìn)行分析：1）超聲波的傳播速度 超聲波在水中的傳播速度不但與溫度有關(guān)，還受水深h和水中還鹽量s的影響，圖2為水中聲速與溫度T的關(guān)系曲線。當(dāng) 0≤T≤35℃，0≤S≤45‰，0≤h≤1000m 時(shí)，水中聲速可用下式計(jì)算： 圖2水中溫度和深度的關(guān)系曲線2）超聲波的衰減 超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，其振幅將隨傳播距離的增大而減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是因?yàn)橐环矫?，超聲波在傳播過(guò)程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作用下，有一部分聲能會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對(duì)超聲波來(lái)說(shuō)就是有一部分能量被吸收了，通常認(rèn)為流 體的聲吸收衰減系數(shù)是與頻率的平方成正比的；另一方面，超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，如果媒質(zhì)中含有大量的散射粒子（如流體媒質(zhì)中的懸浮粒子、液體中的小氣泡、固體媒質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)缺陷、摻雜物等），則一部分超聲波將被散射開(kāi)來(lái)，不再沿原來(lái)方向前進(jìn)，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進(jìn)的，這樣就形成了散射衰減，而固體顆粒、懸浮物等散射物質(zhì)本身又成為聲源，又會(huì)向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)中最常遇到的散射衰減情況是由大量的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的散射粒子所引起的，通常可認(rèn)為散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比。 因此，超聲波在水中傳播時(shí)會(huì)不斷衰減，甚至?xí)辉肼曆蜎](méi)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應(yīng)的措施確保超聲波流量計(jì)的實(shí)現(xiàn)。 超聲波換能器的結(jié)構(gòu)及原理 超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計(jì)中的重要組成部分。通常所說(shuō)的超聲換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類(lèi)型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體(PZT)、PVDF等。 壓電型超聲波換能器是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和 逆壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示： 圖3超聲波換能器結(jié)構(gòu)原理圖 超聲波換能器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到 超聲換能器的壓電晶體上時(shí)，壓電晶體組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱運(yùn)動(dòng)。壓電組 件振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為(1～10) m ，但這種振動(dòng)的加速度很大，約(10～10 3 ) g，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)量，若這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)諧振子振動(dòng)，并推動(dòng)周?chē)橘|(zhì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，由逆壓電效應(yīng)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。 通常壓電型超聲波換能器可以等效地看作一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器的串聯(lián)電 路，如圖 4（a）所示，也可以等效為一個(gè)電流源和一個(gè)電容器地并聯(lián)電路，如圖4（b）所示。 如果用導(dǎo)線將壓電換能器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線地等效電容、等效電阻、前置放大器地輸入電阻、輸入電容。圖5是壓電換能器的完整等效電路（電流等效電路圖）。 圖4 壓電超聲換能器等效電路圖 圖5 壓電換能器的完整等效電路Ca——換能器的電容 Ci——前置放大器輸入電容Cc——連接導(dǎo)線對(duì)地電容 Ri——前置放大器的輸入電阻 Ra——包括連接導(dǎo)線在內(nèi)的換能器絕緣電阻 由等效電路來(lái)看，壓電換能器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)，為保證換能器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻響應(yīng)，就要求壓電換能器的絕緣電阻應(yīng)保持在10 13Ω以上，這樣才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求；與此相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則換能器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 超聲換能器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭等。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個(gè)探頭的性能是不同的，其主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率 f 0 ：大多工作頻率選在換能器的機(jī)械共振頻率（即壓電晶片的共振頻率）附近。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）機(jī)電耦合系數(shù) Kt ：超聲波換能器的機(jī)械能和電磁能相互轉(zhuǎn)換過(guò)程，就是機(jī)電耦合過(guò)程。最早給出定義的梅森將機(jī)電耦合系數(shù)定義為 但是，定義機(jī)電耦合系數(shù)的公式很多而且各部協(xié)調(diào)。此外，壓電元件的機(jī)械能與它的形狀和振動(dòng)方式有關(guān)。因此不同形狀和振動(dòng)方式所對(duì)應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)也不同。機(jī)電耦合系數(shù)為無(wú)量綱單位。機(jī)電耦合