时差法超声波流量计的高精度测量技术

　　1 引言

　　用非介入式超声波流量计测量液体流量, 是把超声波传感器夹装在被测管道的外侧, 利用超声波在流体中传播时所载的流体信息来测量液体流量的。因为测量中不破坏流体现场、安装和使用方便, 动态测量能力强, 故此对压力高、危险性流体的流量测量更具有优越性。时差式超声波流量计的测量原理是利用超声波在穿过流动的液体时, 沿顺流方向和逆流方向传播速度的不同,导致传播时间的不同来测量管道内液体流量的。对于传播时间的测量精度直接影响着流量计的测量精度和测量范围。为此研究了一些提高时差法测量精度的方法和措施, 以达到高精度测量液体流量的目的。

　　2 时差法测量原理

　　时差法测量流体流量的原理如图1 所示。超声波传感器A、B 成对地安装在管道的两侧, 交替地发射和接受超声波信号。若传感器B 沿顺流方向发射超声波, 超声信号从B 顺流传播到A 所需时间设为t1; 再从传感器 A 沿逆流方向发射超声波, 超声波传播 B 到所需时间设为t₂, 则有:

式中: L_p: 声波传播路径的长度; c: 声波在静止液体中的传播速度; v 液体沿管道轴向的速度; v_p: 流体在声道方向的速度分量; θ: 声波传播方向与管轴线之间的夹角。

　　由公式(1) 可知, 只要测出t₁、t₂就可计算出 v, 然后计算出管道截面上的平均面流速, 从而求得流体的瞬时流量和累积流量。由公式(1) 还可以看出超声波正反向传送的时间t1、t2的测量精度直接影响着流速 v的测量精度和测量范围。

　　3 硬件电路组成

　　测量系统的硬件结构如图2 所示, 系统主要包括两部分。一部分由单片机89c51 系统构成主控电路。由它实现人机界面交互, 产生定时信号, 并对数据进行各种补偿、计算、分析处理、存储、显示及整个仪器的控制协调工作。另外一部分主要由超声波发射电路和信号接收处理部分组成。测量过程简述如下: 测量前,通过键盘和液晶显示器进行人机对话, 输入管道的壁厚、外径、管材和液体声速等数据, 显示器便显示出传感器的安装尺寸, 按此尺寸安装好传感器。开始测量,单片机每隔一定时间给出信号使发射电路发射一次超声波脉冲, 开关控制电路使 A、B 两个传感器交替处于收发状态。而在发射信号的同时启动计数器开始计数, 直到接收传感器收到信号后计数器停止计数。然后根据计数值经过计算就可求得液体流量。

　　4 高精度测量技术

　　下面介绍提高测量精度和测量管经范围的一些有效方法。

　　4.1 增长超声波传播路径