【正文】 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 1 第一章緒論 流 量 計 的 發(fā) 展 概 述 自古以來測量都是人類文明的一種標志，是計量科學技術的組成部分之一，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領域之中，一直得到世界各國政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強。早在公元前1000年埃及人就開始利用堰法測量尼羅河的流量來預報年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測量流量。 1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以伯努利方程為依據(jù)，利用差壓法測量水流量；后來意大利人文丘里研究用文丘里管測量流量，并于 1791年發(fā)表了研究成果； 1886年，美國人赫謝爾用文丘里管制成測量水流量的使用裝置； 1911~1912 年，美籍匈牙利人卡門提出卡門渦街的新理論； 30年代 , 又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲很大進展。 第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(jīng)濟和科學技術的迅速發(fā)展，流量計量日益受 到重視，流量儀表隨之迅速發(fā)展起來，測量儀表開始向精密化、小型化等方向發(fā)展。 目前國外投入使用的流量計有 100 多種，國內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近 50種。隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化，管道化的發(fā)展，流量儀表在整個儀表生產(chǎn)中所占 比重越來越大。據(jù)國內(nèi)外資料表明 ， 在不同的工業(yè)部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數(shù)的 1530 ％。 但是，由于流量測量技術的復雜化，以及科學技術的迅速發(fā)展向流量計量提 出更新更高的要求，流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計 量技術問題有待進一步研究解決。目前主要存在如下問題：流量儀表的品種、規(guī) 格、準確度和可靠性尚不能滿足生產(chǎn)要求，特別對腐蝕性流體、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)展有效的測量手段。 我國開展近代流量測量的技術比較晚，早期所需的流量儀表均從國外 進口，直到 20世紀 30年代中期才出現(xiàn)光華精密機械廠所制造的家用水表，五十年代初有了新城儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計， 60年代渦輪、電磁流量計的生產(chǎn)。至今，我國已經(jīng)形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術與儀表研發(fā)和生產(chǎn) 的企業(yè)，從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過 230 家。 目前我國的流量裝置方面 。 與國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內(nèi)市場的需求，一些新型的流量計，如渦街流量計、旋進漩渦流量計、射流 流量計等的技術水平與國際先進水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費支持并 通過艱苦的努 力，才有可能達到國際先進水平 。 超 聲 波 流 量 計 的 概 述 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 2 超 聲 波 流 量 計 的 發(fā) 展 和 現(xiàn) 狀 超聲波流量計 （簡稱 USF）是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的計 量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關、精度高、 測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認為是較好的大管徑流量 測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應用 。 1931 年， 發(fā)表的德國專利是關于利用聲波測量管道流體流量最早的參考文獻。但是要使超聲波流量計具有一定的精度，要求對時間 的測量精度至少達到 107 秒，這在當時是很難達到的； 50年代初，美國科研人員首次提出了“鳴環(huán)”法，就是通過多次循環(huán)將時差擴大在進行測量，這種方法彌補了當時電子技術的不足，使得時間測量精度得以大大提高。 1955年，應用聲循環(huán)法 MAXSON 流量計在美國研制成功，并用于航空燃料油流量的測量，標志著超聲波流量計已經(jīng)由理論研究階段進入工業(yè)應用階段，但由于電子線路太復雜而未得到推廣。 60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應的超聲波流量計。 進入 20世紀的 70年代以后，由于集成電路技術的飛速發(fā)展，使得高精度的時間測量成為可能，再加 上高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術（ PLL ）的出現(xiàn)和應用，為超聲波流量計的可靠性提供了基本的保證，同時為了消除聲速變化對測量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲波流量計，這種流量計聲速受溫度變化的影響遠小于時差法，靈敏度和測量范圍也優(yōu)于時差法，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計的主要方案，但是仍無法保障小管徑小流量測量時的精度。同一時期，前蘇聯(lián)科技工作者對管道內(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)下的理論計算公式，為超聲波流量計進一步提高測量精度打下了堅 實的理論基礎。至此，超聲波流量計的研究和應用才蓬勃發(fā)展起來，超聲流量計的種類也越來越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、相關法和噪聲法。 當今全世界 50多家較大的超聲波流量計生產(chǎn)商都集中于歐美日等國家 , 這些國家己經(jīng)在超聲波流量計的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗，再加上它們本身所具有的在電子技術和工業(yè)制造領域的優(yōu)勢，使得它們在國際超聲波流量計市場上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導著超聲流量測量技術發(fā)展的方向和趨勢 。 我國超聲波流量計的研究起步較晚，目前我國超聲波流量計的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來隨著國 外各大超聲波流量計生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進入我國的市場，也帶動了國內(nèi)超聲流量測量研究的發(fā)展，但是從總體上說，我們現(xiàn)有的技術還和國際先進水平有較大差距，在國內(nèi)市場中，高精度的超聲波流量計還是國外品牌的天下，形成了低檔產(chǎn)品過剩、高檔產(chǎn)品依賴進口的局面。 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 3 超 聲 波 流 量 計 的 特 點 超聲波流量計是一種非接觸式流量測量儀表，相對于傳統(tǒng)流量計而言，它主要具有一下特點： ① 可作非接觸測量。夾裝式超聲波流量計無需停流截管安裝，只要在管道外部安裝換能器即可，為無流動阻撓測量，無額外壓力損失，這是超聲波流量計在工業(yè)用 流量儀表中具有的獨特優(yōu)點。 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，同一儀表可以測量不同管徑的管道流量，使用時不必嚴格考慮管材和壁厚，且其造價基本上與管徑無關，更適合于大管徑、大流量的場合。 ③ 對介質(zhì)幾乎無要求。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計測量流量， 因而適用于多種流體，除了水、石油等常見流體外，尤其適用于其他方法不便測量的情況，例如高溫高壓、腐蝕性液體、高粘度液體或氣體等；而它可測量非導 電 性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充 。 本 課 題 內(nèi) 容 超聲波流量計是一種很有發(fā)展前途和應用前景的節(jié)能型流量計。然而超聲波流量計本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時差法測流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場合等?，F(xiàn)有國有的大多數(shù)超聲波流量計雖然價格比外國的便宜，但總體性能較差；而國外的超聲波流量計盡管在精度、性能和操作使用方面都由于國內(nèi)的產(chǎn)品，但因價格昂貴，也不可能在工業(yè)界大量使用。因此有必要在現(xiàn)有的基礎上對超聲波流量測量技術進行改進和提高，使超聲波流量計性能更加穩(wěn)定，總體性能接近或者達到國際先進水平，以便在國內(nèi)推廣和使用。基于難度和可實現(xiàn)性，本文采用時差法 為研究課題，在綜合吸收國內(nèi)外先進的超聲波流量測量技術的基礎上，完成了一下一些主要的工作： ① 超聲波時差法測流量原理研究，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的 問題，利用改進型算法避免溫度對測量精度的影響 。 ② 超聲波在流體中傳播特性的分析、超聲波流量計流體力學分析及流量修正； ③ 設計系統(tǒng)的控制測量電路，包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號整形電路及系統(tǒng)控制電路等，并根據(jù)儀器本身的實際情況和現(xiàn)場環(huán)境研究硬 件抗干擾技術； 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 4 ④ 設計相應的計算機軟件對儀器進行控制和對數(shù)據(jù)進行運算處理，在軟件上采取 適宜的抗干擾措施，進一步 增強儀器的運行穩(wěn)定性； 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 5 第 二 章 時 差 法 超 聲 波 流 量 計 的 理 論 研 究 流 量 的 基 本 概 念 單位時間內(nèi)，流體流過管道或設備某處橫截面的數(shù)量稱為流量。流體流量可 用單位時間內(nèi)流過通道橫截面的流體體積或質(zhì)量來表示，前者稱為體積流量，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 的計算式為 ： AQ?? 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 的計算公式為： VSQG ?? ?? 式中 ， ? 為流體密度， 3mkg 。 超 聲 波 技 術 概 述 由于超聲波傳播時， 其聲速、衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性與狀態(tài)有關，不同性質(zhì)的媒質(zhì)不但影響超聲波的穿透深度，也影響接收波的強度。因此，要準確地檢測到超聲信號并非易事，在投入設計前要對超聲波及相關的知識進行介紹。 超 聲 波 的 傳 播 特 性 超聲波通常指頻率高于 20KHz 的機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。 因為本課題主要是研究針對供水行業(yè)的超聲波流量計，所以我們只以水為介質(zhì)進 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，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 的關系曲線。當 0≤ T ≤ 35℃， 0 ≤ S ≤ 45?， 0≤ h ≤ 1000m 時，水中聲速可用下式計算 ：hSTTTTC 0 1 )35)((0 0 0 2 4 4 9 32 ???????? 蘭州理工大學電信學院畢業(yè)設計說明書 6 圖 2 水 中 溫 度 和 深 度 的 關 系 曲 線 2 ） 超聲波的衰減 超聲波在媒質(zhì)中傳播時，其振幅將隨傳播距離的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是因為一方面，超聲波在傳播過程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作 用下，有一部分聲能會不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對超聲波來說就是有一部分能量被吸收了，通常認為流 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，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)中的顆粒狀結構缺陷、摻雜物等 ）， 則一部分超聲波將被散射 開來， 不再沿原來方向前進，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進的，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，又會向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測量技術中最常遇到的散射衰減情況是由 大量的尺寸遠小于波 長的散射粒子所引起的，通?？烧J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會不斷衰減，甚至會被噪聲淹沒。在設計過程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應的措施確保超聲波流量計的實現(xiàn)。 超 聲 波 換 能 器 的 結 構 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，是超聲波流量計中的重要組成部分。通常所說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，將電能轉(zhuǎn)換為機械能， 再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能， 再轉(zhuǎn)換為