基于微处理器的数字超声波流量计

　　0　引言

　　超声波流量计具有安装方便、不影响流体的流动状态、测量范围宽、精度高等优点,特别适用于大口径管道流量、有毒、腐蚀性、易燃易爆和含有放射性物质等流量的测量。超声波液体流量计按测量原理分类有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法[1]。其中,时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时,其传播时间(速率)会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的。

　　1　超声波流量计的时差法应用现状

　　具体实现如下:超声波时差法流速测量在流体流过的管道两侧斜向安装两个传感器A和B,使其轴线重合在一条斜线上,如图1所示。

　　由示意图可知,当传感器B发射,A接收时,声波顺流传播,速度快、时间短,用公式表示可写成:

　　[c+vcos(a)]×t_BA=L (1)

　　当A发射而B接收时,逆流传播,速度慢、时间长,可写成:

　　[c-vcos(a)]×t_AB=L (2)

　　式中:L为两传感器间的传播距离,m;c为超声波在静止流体中的传播速度,m/s;v为被测流体沿着管道方向的流速,m/s;t1、t2分别为超声波顺流和逆流通过管径的时间。

　　由式(1)、式(2)可得:

　　式中:D为管道直径;a为A、B两传感换能器连线与管道流速之间的夹角,由于D和a为可以直接测量得到的参数,均为常数,因而k为常数,所以,只要能够通过超声波流量计测量出时间t_BA和t_AB便能得到管道中媒质的流速v。这便是超声波流量计的时差法测量原理。

　　时差法超声波流量计实现的两个关键问题在于对于超声波回波波形的识别和时差的精确检测。目前,对于回波的检测一般采取包络线检测和门限电平两种方法,准确判断回波的峰值点就显得非常重要,如果相差一个波峰,流量就会有很大的误差[2]。因此,门限电平的检测和波峰的判断直接影响到流量计的精度和工作的可靠性及稳定性。

　　为进一步提高超声波的测量精度和工作的稳定性,本文考虑对超声波的回波进行数字采样,通过对回波的数字信号处理来准确提取上下回波的时差信息。这样,检测的精度与整个波形的分析有关,避免了对回波中几个关键电平和波峰的过分依赖,检测精度和稳定性得以稳步提高。

　　2　基于微计算机的数字化超声波流量计实现

　　2.1　硬件系统组成

　　该超声波流量计可以考虑由微计算机控制系统、DSP信号处理电路、信号采样前端输入电路、脉冲信号发生电路、时钟电路以及通信接口电路等组成,如图2所示。