【正文】 要是研究針對供水行業(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。因此，要準(zhǔn)確地檢測到超聲信號并非易事，在投入設(shè)計(jì)前要對超聲波及相關(guān)的知識進(jìn)行介紹。 質(zhì)量流量 G 的計(jì)算公式為： VSQG ?? ?? 式中 ， ? 為流體密度， 3mkg 。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?；陔y度和可實(shí)現(xiàn)性，本文采用時(shí)差法 為研究課題，在綜合吸收國內(nèi)外先進(jìn)的超聲波流量測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了一下一些主要的工作： ① 超聲波時(shí)差法測流量原理研究，針對超聲波流量計(jì)測量精度容易受溫度影響的 問題，利用改進(jìn)型算法避免溫度對測量精度的影響 ?，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。 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)。 ③ 對介質(zhì)幾乎無要求。夾裝式超聲波流量計(jì)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(jì)在工業(yè)用 流量儀表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 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。至此，超聲波流量計(jì)的研究和應(yīng)用才蓬勃發(fā)展起來，超聲流量計(jì)的種類也越來越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。 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。 1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法 MAXSON 流量計(jì)在美國研制成功，并用于航空燃料油流量的測量，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。 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)。 超聲波流量計(jì)的概述 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 超 聲 波 流 量 計(jì) 的 發(fā) 展 和 現(xiàn) 狀 超聲波流量計(jì) （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(jì) 量儀表。 目前我國的流量裝置方面 。 我國開展近代流量測量的技術(shù)比較晚，早期所需的流量儀表均從國外 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)。 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。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(gè)儀表生產(chǎn)中所占 比重越來越大。 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。 1738年，瑞士人丹尼爾蘭州理工大學(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)。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(yù)報(bào)年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測量流量。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。 目前國外投入使用的流量計(jì)有 100 多種，國內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近 50種。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 ％。目前主要存在如下問題：流量儀表的品種、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。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。 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(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 通過艱苦的努 力，才有可能達(dá)到國際先進(jìn)水平 。憑借其非接觸測流、儀表造價(jià)基本上與被測管道口徑大小無關(guān)、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(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 。但是要使超聲波流量計(jì)具有一定的精度，要求對時(shí)間 的測量精度至少達(dá)到 107 秒，這在當(dāng)時(shí)是很難達(dá)到的； 50年代初，美國科研人員首次提出了“鳴環(huán)”法，就是通過多次循環(huán)將時(shí)差擴(kuò)大在進(jìn)行測量，這種方法彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的不足，使得時(shí)間測量精度得以大大提高。 60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波流量計(jì)。同一時(shí)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(jì)算公式，為超聲波流量計(jì)進(jìn)一步提高測量精度打下了堅(jiān) 實(shí)的理論基礎(chǔ)。 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家 , 這些國家己經(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，使得它們在國際超聲波流量計(jì)市場上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢 。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 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量儀表，相對于傳統(tǒng)流量計(jì)而言，它主要具有一下特點(diǎn)： ① 可作非接觸測量。 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(shí)不必嚴(yán)格考慮管材和壁厚，且其造價(jià)基本上與管徑無關(guān)，更適合于大管徑、大流量的場合。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計(jì)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(dǎo) 電 性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充 。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)差法測流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場合等。因此有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對超聲波流量測量技術(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)到國際先進(jìn)水平，以便在國內(nèi)推廣和使用。 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(shí)際情況和現(xiàn)場環(huán)境研究硬 件抗干擾技術(shù)； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 ④ 設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件對儀器進(jìn)行控制和對數(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； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 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)，流體流過管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量稱為流量。 體積流量 Q 的計(jì)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 。 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。 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。當(dāng) 0≤ T ≤ 35℃， 0 ≤ S ≤ 45?， 0≤ h ≤ 1000m 時(shí)，水中聲速可用下式計(jì)算 ：hSTTTTC )35)((0 0 0 2 4 4 9 32 ???????? 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 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)象稱為超聲波的衰減。 因此，超聲波在水中傳播時(shí)會不斷衰減，甚至?xí)辉肼曆蜎]。 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。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。超聲換能器通常都有一個(gè)電的儲能元件和一個(gè)機(jī)械振動系統(tǒng)。 壓電型超聲波換能器是借助壓電晶體的諧振來工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和 逆壓電效應(yīng) 。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)械振動量，若 這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時(shí)，由逆壓電效應(yīng)，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，此時(shí)的傳感器 就成了超聲波接收器。 如果用導(dǎo)線將壓電換能器和測量儀器連接時(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 4 壓 電 超 聲 換 能 器 等 效 電 路 圖 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8