频差法超声波气体流量计的设计

　　1　超声波测流原理

　　频差法属于超声波流量测量中的传播速度差法,即当超声波在流动的媒质中传播时,相对于固定坐标系统(例如管道中的管壁)来说,超声波速度与静止媒质中的传播速度有所不同,其变化值与媒质流速有关。现对一具体管道配置(如图1)推导频差法的测量表达式。一对工作频率为f的超声换能器P₁和P₂安装在内径为D_a的超声管段的管壁上。P₁和P₂之间的距离为L,它们的轴线与流体流速u之间的夹角为θ,且D_a=Lsinθ。当P₁发出的超声脉冲沿L传播至P₂接收时,测得其顺流传播时间为t₁₂,这时沿L的顺流声速c₁为:

　　式中:c₀为流体静止时媒质中的声速。同样,当P₂发射超声脉冲,P₁接收时,实测的逆流时间为t21,而沿L的逆流声速c₂为:

　　由式(1)和(2),得流体的流速:

　　上述公式求得的是超声波传播途径上的线平均流速,而流量计算时所需要的是面平均流速,必须经过转换才能使用。根据流体力学理论,当流动状态为紊流时,流体的截面平均流速与线平均流速之间的关系是雷诺数Re的函数。即:

　　其中,v为管内面平均流速,k为线平均流速到面平均流速的修正系数:

　　λ为光滑圆管的阻力系数,且

　　雷诺数Re可由管道内径,流体运动粘滞系数等求得。这样,对于内径为Da的管道,流体的流量Q就可以由超声频差法测定:

　　2　系统硬件设计

　　2.1　系统组成及各部分功能

　　图2为硬件系统框图。其中,各部分主要功能为:发射器在单片机系统的控制下,产生发射脉冲,通过谐振电路激励超声换能器,发射超声脉冲。接收器接收来自超声换能器的超声波信号,对其进行滤波放大。声路选择器在单片机系统的控制下,确定超声波换能器的收、发状态,以便对多声道进行测量。时差测量系统测量发射信号和接收信号的时间差,提供给单片机系统进行进一步处理。输入输出系统通过键盘和显示器,实现人机交换,进行仪表参数修改和测量结果显示。单片机系统采用8031单片机作为核心控制部件,控制测量系统的工作过程,完成测量中的各种数据处理,提高整机智能化程度,便于流量计算和进行各种有效实时控制。声学系统为安装管道及一对超声换能器,是测量的传感器部分。

　　2.2　发射接收电路设计

　　本设计利用LM1812进行超声波的发射和接收。LM1812是一种通用型超声波专用集成电路,芯片内部包括脉冲调制C类振荡器;高增益接收器;脉冲调制检测器;噪音抑制器等几部分。其特点是:1)可以用一个发送/接收换能器或两个分别发送及接收的换能器;2)有互换性;3)不用外接晶体管,不用散热片;4)内有保护电路;5)检测器输出可驱动1A峰值电路;6)发送功率可达12W(峰值)。发射方案选用脉冲发射中的调制发射,使发射能量比单次脉冲发射提高了5~6倍,并且发射脉冲宽度可以灵活调整。为实现对微弱超声波信号的分离和提取,采取了屏蔽及滤波技术,结合LM1812内部的高增益接收器及脉冲调制检测器,实现了对超声波弱小信号的检测,并且接收器增益可通过外围电路来灵活调整。