一种高精度的超声波检测流量系统

    1　引言

    超声波检测流量可采用非接触式测量方式,安装和维修不影响被测流体的流场分布。基于超声检测、高速数据采集、数据和信号处理等技术的超声流量计具有高检测 灵敏度,便于进行在线自动检测。可用于测量任何流体的流量,特别适用于对腐蚀性、高粘度流体的流量进行测量,尤其适用于大口径管道的精确测量。

    2　测量原理

    根据混合长度理论[1],对于光滑圆管内壁面附近的完全发展的紊流,其管内同一横截面上距离管轴线为r处的流速Ur,同管路中心最大流速Umax间具有确定的函数关系:

式中　D为管道内径;γ为流体的粘滞系数;n只与流体分布补偿系数或者流体的雷诺数有关^[2]。图1为管道内平行流动的流体中超声波的传播。图中沿超声波传播方向的线平均流速为Ul,Ul的方向与流体流动方向一致,U_S为某时刻流经垂直于管道轴向截面S的流体的面平均流速,且平均速度

    图1中两个超声波换能器安装在管道外,分别都可以发射并接收超声波。如果超声波在流体中的行程为L,管道半径为R,超声波在该流体静止时的传播速度为c,超声波在非流体中的传播时间及电路延迟时间的总和为τ₀,流体沿超声波传播路径的线平均流速为Ul,超声波的顺流传播方向与流体流动方向间的夹角为θ。超声波束在流体中传播,用t₊、t_-分别表示超声波顺、逆流的传播时间,则有

流体在单位时间内流经管道的质量称为流量(质量流量),即为Q=SU_Sρ

    超声波在流动的流体中以波的形式传播,不破坏流体的流场分布,流体的流量与管道的横截面积S、流体的密度ρ以及超声波在流体中传播的平均速度U_S(或U_l和流体流速分布n)有关。

    3　系统硬件组成

    系统硬件结构包括数字电路和模拟电路两部分。数字电路由系统控制电路、高频振荡和计数电路、接口电路和微机控制电路等组成;模拟电路由发射超声波电路、接 收超声波电路、接收/发射超声波的转换电路、信号整形电路及温度测量补偿电路等组成,如图2所示。系统发出指令后,控制电路向发射电路输出窄脉冲信号,发 射电路输出的电信号与超声波换能器谐振频率一致,换能器输出超声波信号。发射电路中的阻抗匹配和隔离电路是提高电流变化率和改善触发脉冲前沿的关键。超声 波信号的接收电路采用电感耦合和集成电路放大相结合。电感耦合、电容滤波以滤出部分接收到的噪声信号,集成电路采用转换速率高,频带宽,具有频率补偿等特 点的电路芯片。