【正文】 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(rèn)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(yīng)用 。至今，我國已經(jīng)形成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測量技術(shù)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。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(gè)儀表總數(shù)的 1530 ％。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(jìn)展。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章緒論 流 量 計(jì) 的 發(fā) 展 概 述 自古以來測量都是人類文明的一種標(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，一直得到世界各國政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強(qiáng)。 第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(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。 但是，由于流量測量技術(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)問題有待進(jìn)一步研究解決。 目前我國的流量裝置方面 。 1931 年， 發(fā)表的德國專利是關(guān)于利用聲波測量管道流體流量最早的參考文獻(xiàn)。 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，靈敏度和測量范圍也優(yōu)于時(shí)差法，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計(jì)的主要方案，但是仍無法保障小管徑小流量測量時(shí)的精度。 我國超聲波流量計(jì)的研究起步較晚，目前我國超聲波流量計(jì)的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來隨著國 外各大超聲波流量計(jì)生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進(jìn)入我國的市場，也帶動(dòng)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(shù)還和國際先進(jìn)水平有較大差距，在國內(nèi)市場中，高精度的超聲波流量計(jì)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(jìn)口的局面。 ③ 對(duì)介質(zhì)幾乎無要求?，F(xiàn)有國有的大多數(shù)超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比外國的便宜，但總體性能較差；而國外的超聲波流量計(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。流體流量可 用單位時(shí)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。因此，要準(zhǔn)確地檢測到超聲信號(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。造成衰減的主要原因是因?yàn)橐环矫?，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(huì)不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對(duì)超聲波來說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 開來， 不再沿原來方向前進(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 長的散射粒子所引起的，通?？烧J(rèn)為散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比。 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。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蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 等 。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)周圍介質(zhì) 振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。圖 5 是壓電換能器的完整等效 電路（電流等效電路圖 ）。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。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。例如，同一只壓電換能器，在水中的 mQ ? 30，在空氣中 200?mQ 。 D?? 1?? 式中， ? 為超聲波波長， D 為換能器直徑，所以頻率越高，擴(kuò)散角越小。 為了 提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動(dòng)阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時(shí)，為了保證聲能損失小、方向性強(qiáng)，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機(jī)玻璃制成 。無論什么驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在換能器正確安裝的前提下，脈沖寬度的大小與換能器頻率之間存在著一最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時(shí)，可使 換能器輸出的信噪比最高 。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號(hào) 應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號(hào)最強(qiáng) ；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會(huì)給 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 接收換能器帶來很大的干擾，使接收電路識(shí)別不出接收信號(hào)是否為真實(shí)信號(hào)，因此可以考慮將中心頻率對(duì)應(yīng)的角頻率取在偏離直流信號(hào)一定角頻率的第一個(gè)峰值a23? 處。超聲換能器 A、 B 是一對(duì)可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的換能器，其安裝方式采用管外夾裝式。 因此，如何確保超聲測時(shí)的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計(jì)算時(shí)差成為時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量的關(guān)鍵，為此 人們常在測量回路上采取一些措施，常見的方法有 ： 閥 值 法 設(shè)置閥值，當(dāng)接收信號(hào) 高于閾值時(shí)，即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，一般采集信號(hào)的第 2個(gè) 峰值（如圖 7 ）， 然后減去一個(gè)周期，所得結(jié)果為信號(hào)的傳播時(shí)間。克服此弊病的最有效方法是設(shè)置一個(gè)能跟蹤目標(biāo)的窗口，在此窗口內(nèi)接收門是打 開的，除此之外，門一直是關(guān)閉著，可以有效的防止干擾信號(hào)的侵入。采用鎖相技術(shù)可以解 決這一問題 。但是 PLL 鎖相回路沒有從本質(zhì)上解決由于設(shè)定閾值而帶來的誤差問題 。 雙 觸 發(fā) 回 路 所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當(dāng)接收波形變化時(shí)，改變觸發(fā)電平，自動(dòng)選擇最佳觸發(fā)電平來檢測時(shí)間。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 圖 9 雙 觸 發(fā) 原 理 圖 由于雙觸發(fā)回路中包含有誤觸發(fā)檢測回路、觸發(fā)選擇回路和延遲時(shí)間補(bǔ)償回路等，因此它增加了硬件電路的復(fù)雜性 。兩種不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。 那么，在層流狀態(tài)下， maxv 與 v 的關(guān)系為： m a x02m a x0 32])(1[22vRRrvRdrvvRRr ???? ?? 2) 當(dāng) Re2300 時(shí)，流體開始向紊流狀態(tài)過渡，通常介于層流和紊流之間的狀態(tài)也作為紊流狀態(tài)處理，管內(nèi)流體流速分布為 ： nRrvrv 1m a x )1()( ?? 式中， n 隨 Re 不同而變化的系數(shù)，其值見表 1 所示： eR *103 *104 *105 *106 *106 n 表 1 n 與 eR 的關(guān)系 那么，在紊流狀態(tài)下 ， v 與 vm的關(guān)系為： m a x010 1)1(22vn nRdrRrRdrvvR nRr????? ?? 而我們所需要知道的是管道截面上的平均速度 vd，同樣利用前面公式，可知層流狀態(tài)下 vd與 vmax 的關(guān)系為： 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 m a x202m a x21)(12 vRr d rRrvAQvRvd ???? ? ?? 可知絮流狀態(tài)下， vd 與 vmax 的關(guān)系為： m a x2201m a x)1)(12(2)1(2 vnnnRr d rRrvAQvR nvd ?????? ? ?? 由以上公式可知，層流時(shí)流量修正系數(shù)為： 34?K 絮流時(shí)流量修正系數(shù)為： nnK 2 12 ?? 折 射 角 ? 的修正 夾裝式 超聲波流量計(jì)除了做流速分布修正外，必要時(shí)還要對(duì) ? 角進(jìn)行修正 ，根據(jù) ? 角隨流體中聲速 C 的變化而變化，而 C 又 是流 體溫度的函數(shù)，因此，必須對(duì) ? 角進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹? 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 圖 10 夾 裝 式 超 聲 波 傳 播 途 徑 可得關(guān)系式： )s inarc s in(00 ?? CC? 因?yàn)橹?C0和 0? 為已知量， C 為超聲波在被測流體中的傳播速度，是溫度的變量。 換 能 器 的 安 裝 對(duì)于 時(shí)差法超聲波流量計(jì)來說，超聲換能器在管道上的安裝位置通常有三種不 同形式：平行式、 Z 型、 V 型 。 由式（ 31 ）、 （ 32 ）可知 ： 1c os2s in tdvC ?? ?? （ 3 — 5 ） 2c os2s in tdvC ?? ?? （ 3 — 6 ） 式（ 35 ）、 （ 36 ）相減可得 ： ?2sin221 12 dtt ttv ??? （ 3 — 7 ） 式（ 37 ）與（ 34 ）相比，消掉了超聲波速度 C 這一項(xiàng) ，因 此，改進(jìn)后的時(shí)差法公式消除了 C 對(duì)測量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測量精度。當(dāng)流體流速為 V=1m/s 時(shí)： t1=,t2=， sEt ??? 也就是說超聲波順逆流發(fā)射的傳播時(shí)間差 t? 僅為 95ns左右， 如果要求系統(tǒng)測 量精度為 1％，則測量分辨率至少應(yīng)達(dá)到 1ns ， 那么就需要采用 1000MHz的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)時(shí)，并且相應(yīng)的要提高各種門電路開關(guān)速度 ， 在現(xiàn)今電子技術(shù)發(fā)展情況下，這樣高的頻率時(shí)鐘電路和計(jì)數(shù)電路都難以實(shí)現(xiàn) ， 可見極力去精確測量單個(gè)納秒級(jí)的時(shí)差是不現(xiàn)實(shí)的，為了解決這個(gè)難題 ， 我們采用多脈沖法作為本課題 的測時(shí)方法 。 所謂多脈沖測量 方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程 ， 對(duì)某一物理量進(jìn)行測量的方法其工作示意圖見圖