【文章內(nèi)容簡介】 有妨礙物體（例如大量的雜物和氣泡）的流體；而多普勒流量計的測量原理則決定了它只適用于一些雜質(zhì)顆粒較大的場合 [9]。 時差法超聲波流量計主要應(yīng)用于單相液體的測量 ,而多普勒超聲波流量計則用于含有適量的固體顆?；驓馀莸亩嘞嗔黧w的計量。例如 :煤漿、污水、漿體等含固體或雜質(zhì)較多的液體 ,通常不適于清潔流 體的測量。 因此，時差法比較適合于工業(yè)上潔凈用水的流量測量，多普勒法適合于雜質(zhì)較多且分布均勻的流體的流量測量 [10]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 超聲波流量計的總體設(shè)計 超聲波換能器概述 超聲波換能器能量轉(zhuǎn)換原理 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。 在發(fā)射超聲波的過程中，換能器將電能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為聲能，如圖 所示： 電能 聲能機械能 圖 發(fā)射超聲波 過程 的能量轉(zhuǎn)化 在接收超聲波的過程中，換能器將聲能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為電能 ，如圖 所示： 電能機械能聲能 圖 接收超聲波 過程 的能量轉(zhuǎn)化 超聲波換能器的類型及主要性能指標(biāo) 目前常用的超聲 波 換能器有兩大類，即電聲型與流體動力型。常用超聲 波 換能器有壓電換能器、磁致伸縮換能器、電磁換能器以及電容式換能器等。目前比較常用的是壓電超聲波換能器。壓電超聲 波 換能器主要應(yīng)用于常溫下的檢測。 壓電 換能器 屬于超聲 波換能器 器中電 聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。 它的特點是阻抗高且呈容性，還具有結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠性高等特點。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種 材料可以制成超聲 波換能 器。 換能 器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖， 這是逆壓電效應(yīng)； 當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號， 這 是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者 用于 超聲波的接收。超聲波 換能 器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲 波換能 器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電 壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 的 交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0 。發(fā) 射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致， 這樣，超聲 波換能 器才有較高的靈敏度。 當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就 可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲 波換能 器 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 超聲波換能器結(jié)構(gòu)如圖 所示： 共 振 板壓 電 晶 片電 極 圖 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波換能器的選擇及設(shè)計 超聲波換能器的主要參數(shù) (1)中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。 超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播， 用于水流量測量時，超聲波頻率范圍一般為 到 2MHz。 超聲波的頻率越高，聲 束擴散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是頻率越高，超聲波衰減越大，而且也會增加電路設(shè)計的困難。 常見超聲波傳感器的中心頻率有有30KHz、 4OKHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz 等。 (2)入射角 這個角度決定了超聲波換能器的安裝位置。由于超聲波入射時在管壁及流體界面處都會發(fā)生折射，會轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播，為提高探頭接收信號的選擇性，一般選擇入射角大于第一臨界面角而小于第二臨界角，以保證僅一束超聲波被探頭接收。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） (3)發(fā)射強度 由于噪聲的影響，接收換能器接收到的信號一般要求在幾 十毫伏以上，超聲波發(fā)射的強度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強度也越大，削弱聲吸收的影響，所以，要使接收換能器能夠可靠地工作，發(fā)射探頭必須要能發(fā)射出足夠的能量，以便接收探頭分辨處理超聲波首波，提高測量精度。 本設(shè)計中，選用了中心頻率為 1MHz 的探頭，入射角為 45176。 (4)工作溫度 工作溫度是指能使 換能 器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于 居里點溫度。 超聲波換能器的選擇 超聲波 換能 器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。 超聲波 換能 器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波 換能器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的 換能 器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。 本設(shè)計中選用的為收發(fā)一體式，選用兩臺材質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同的換能器 T1和 T2進行交替發(fā)射接收，以實現(xiàn)順流和逆流的時間測量。 在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高 。 超聲波換能器的安裝方式及選擇 對于時差法超聲波流量計來說，超聲波換能器在管道上的安裝位置通常有三種不同形式，如圖 所示，分別為：平行式、 Z 式、 V 式。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） T1T2T1T2T1T2 圖 超聲波換能器的 三種 安裝方式 平行安裝的超聲波換能器位于管道軸線上，理論上講，聲波在管道的徑向穿過流體截面的次數(shù)越多，其測量準(zhǔn)確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會嚴(yán)重擾亂流場的分布，另一方面其測量的流體流速不具有整個流束截面的代表性，所以是不可取的； Z 型安裝的聲傳播路程較 短，傳播時間不易測量，會限制流量計在小管徑上的應(yīng)用；而 V 型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴大聲程，因此，兩個換能器安裝在同一側(cè)對測量的準(zhǔn)確度有很大的幫助。 本設(shè)計中選用了 V 型安裝方式，在管道同一側(cè)安裝了兩個相同的超聲波換能器，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一切附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量的干擾。 時 差法測量原理及影響測量的主要因素 Z 型安裝方式時差法測流量的測量原理 時差法的原理是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算除流體的流量。其基本原理如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） dvT1T2? 圖 時差法基本原理示意圖 圖中為液體管道，其中流有待測量液體，管道兩側(cè)裝有超聲波換能器 T1及 T2，它們是一對能同時發(fā)射和接收超聲波的換能器。首先換能器 T1發(fā)射超聲波，超聲 波順流傳播，傳播速度提高，經(jīng)過時間 1t 被換能器 T2接收；然后 T2發(fā)射，超聲波逆流傳播，傳播速度減小，經(jīng)過時間 2t 被 T1接收。 設(shè)超聲波信號在被測流體中的聲速為 C ， 聲射線與管軸之間的夾角為 ? ，管道內(nèi)徑為 d ， 由于換能器布置在管道外，超聲波在換能器和管壁中傳播需要時間，而且電路也有延遲，總稱為延遲時間 0? ， 0? 遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播時間，則有： 01 sincos ??? ??? vCdt (21) 02 sincos ??? ??? vCdt (22) ?? 22212 s inta n2 vC dvttt ????? (23) 在一般工業(yè)測量 中，超聲波在液體中傳播速度比液體的流速大得多，即 2C 遠(yuǎn)大于?22sinv ，所以順逆流時間差 12 ttt ??? 可以簡化為： ?t a n2212 Cdvttt ???? (24) 因此，時差法超聲波流量計的基本方程可以寫為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） tdCv ?? ?tan2 2 (25) vdQ 42?? (26) 由于 C 、 ? 和 d 均已知 ,只要測出 t? 就可計算出 v 和 Q 來。 影響測量的主要因素 在實際的測量中，測量環(huán)境 不是一成不變的，有各種因素制約著流量的準(zhǔn)確測量，在機械方面，與管段的幾何尺寸有關(guān)；在物理方面，與來流的速度分布與溫度變化有關(guān)；電子方面，與時間的測量有關(guān)。 在使用超聲波流量計進行測量時，通常流場相對穩(wěn)定，超聲波在液體中傳播衰減相對較小，對于流體溫度對測量的影響，以往的超聲流量計均采用壓電超聲換能器進行測量，只有在被測流體溫度較高，超過 150℃ 的情況下，才無法進行測量，而一般情況下的測量，溫度在不超過 150℃的情況下，精確度是比較高的，因此常溫下可不考慮此問題。 在以上三個方面中，前兩個因素的制約相對較小 ，因 此，傳播時間的測量對整個課題的研究和整機的性能是最關(guān)鍵的問題。另外，超聲波換能器的性能，主機中對信號的采集和處理是另一個測量的重要因素。因此，本設(shè)計中對超聲波流量計的設(shè)計和研發(fā)主要針對這些問題進行探討，只有很好地克服和解決這些問題，才能保證流量計的測量精確度，使整機性能達到精確指標(biāo)。 V 型安裝方式時差法原理介紹 首先，針對 V 型安裝方式的測量原理對流速測量公式進行推導(dǎo)，原理圖如圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） dvT1T2? 圖 V型安裝方式 時差法原理示意圖 當(dāng)管道中流體以速度 v 流動時，超聲波信號在流體中的順逆流傳播時間分別為 1t 、 2t ，那么對于 V 型安裝有： ??sincos21 vCdt?? (27) ??sincos22 vCdt?? (28) ??22212 s i nt a n4 vC dvttt ????? (29) tdCv ?? ?tan4 2 (210) 多脈沖測量原理 超聲波順逆流發(fā)射的傳播時間差 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)達到 1ns，那么就需要采用 1000MHz 的時鐘脈沖計數(shù)來記時，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，這樣高的頻率時鐘電路和計數(shù)電路都難以實現(xiàn)，可見極力去精確測量單個納秒級的時差是不現(xiàn)實的，為了解決這個難題，本設(shè)計采用了多脈沖法作為測時方法。 多脈沖測量方法是進入九十年代以來，國外生產(chǎn)廠家首先采用的一種測時方法，但多脈沖僅僅作為一個術(shù)語出現(xiàn)在產(chǎn)品介紹，或在產(chǎn)品說明書中一帶而過。本設(shè)計結(jié)合微內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 處理器的特點， 對超聲波時差流量測量的多脈沖測量方法進行了較深入的研究。多脈沖測量方法不僅能有效的濾除干擾信號獲得可靠的超聲波傳播時間，而且能在流量測量過程中結(jié)合多脈沖測量方法的特點，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計等相關(guān)理論對測量時差法做出了合理估計，從而確保了流量測量的精度。 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，對某