时差式超声波气体流量计的研制

　　0　引言

　　超声波气体流量计有多种型号准确度较高的超声波气体流量计,如多普勒超声波流量计,时差式超声波流量计,频差式超声波流量计,插入式超声波流量计等。研究的是时差式超声波气体流量计。

　　1　仪表的工作原理

　　时差式超声波流量计测量流量的原理[2]如图1所示,在充满流体的管道壁有2个成一定夹角的超声波探头,设流体速度为v,管道直径为D,两探头中心线之间距离为L,探头与管道法线之间的夹角为θ,超声波在静止被测流体中的速度为c.则:L=D/cosθ.

　　一束超声波经流体传播,在顺流和逆流方向有不同的传播时间。

　　顺流传播时间:tAB=L/(c+vsinθ),

　　逆流传播时间:tBA=L/(c-vsinθ),

　　由上面3式推导出流体的速度v:

　　2　时差式超声波气体流量计系统的实现

　　2·1　仪表总体设计

　　图2所示为仪表硬件总框图。

　　由原理可知,测量流量的关键技术是计时采样,即准确测量超声波顺流传播时间和逆流传播时间。设计两路由微控制器控制的超声波发射电路控制发射探头发射超声波,接收探头对接收信号进行放大调理,然后输入给微控制器进行分析处理,就可以获得超声波的两个时间参数。流量监控室和探头安装点的距离在数百m以上,若测量模块与显示模块采用一体化设计,则激励探头的高压和探头采样的微弱信号要传输数百m.在如此长的传输线路上,探头接收到的信号完全被衰减。因此,采用分体式设计:测量模块安装在现场,显示模块安装在监控室。

　　2·2　超声波换能器的设计

　　超声波换能器(探头)由压电晶片、匹配层、密封层、吸声块等组成[1]。超声波换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件。为了使采样信号波形最强和不失真,应该使激励电压频率、两个探头的固有频率尽可能一致。

　　2·3　测量模块的硬件设计

　　2·3·1　超声激励电路的设计

　　超声激励电路须提供足够的能量给换能器。激励电压应该足够大,但不能大于换能器压电晶体的激化电压,否则会使晶体产生反激化,失去压电效应。在允许的范围内,超声波强度是随着激励电压的增大而增强的。采用晶体管多级推挽电路[3],如图3所示。

　　BG2与BG4,BG3与BG5分别为大功率高速率NPN和PNP晶体管,BG1为高速晶体管,基极控制端接单片机引脚。当单片机引脚输出低电平时,晶体管BG1截止,BG2、BG4导通,BG3、BG5截止,DC把电压加在变压器的初级线圈上,经过变压器的升压,把600 V左右的高压加在换能器上,激励换能器产生超声波;当单片机引脚输出高电平时,晶体管BG1导通,BG3、BG5导通,BG2、BG4截止,电容器C2通过BG3、BG5放电,反向电压很小,经变压器升压后由二极管D2回到线圈,加在换能器上的电压为0 V.电容器C1使DC电源更加稳定。如果单片机引脚以高频交替输出高低电平,将产生适合激励探头的高压方波脉冲。由于变压器的隔离作用,使保护电路的设计大大简化。