利用超声波检测流量的高精度系统

超声波检测流量可以采用非接触测量方式,安装和维修不影响被测流体的流场分布.基于超声波检测流量、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[1].它可用于测量任何流体的流量,特别适用于腐蚀性、高粘度流体,尤其适用于大口径管道的流体.

1　测量模型的建立

　　根据混合长度理论[2],对于光滑圆管内壁面附近完全发展的紊流,管内同一截面上距管轴线r处流速ur与管路中心最大流速umax的函数关系为

式中:R为管道半径;n与管道壁面的光滑情况有关,且随雷诺数Re变化.考虑到实际测量中的管壁及流速情况,选取n= 0.250-0.023 lgRe

　　如果用D表示管道内径,γ表示流体的粘滞系数,则雷诺数.图1中两个超声波换能器安装在管道外,可以分别发射并接收超声波.如果超声波在流体中行程为L,在该流体静止时超声波传播速度为c,超声波在非流体中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,ul的方向与流体流动方向一致,uS为某时刻流体流经垂直于管道轴向截面S的面平均流速.从而平均速度为

　  k称为流体分布补偿系数,只与流体的雷诺数Re有关.超声波束在流体内传播过程中,t+、t-分别表示超声波顺、逆流的传播时间,θ为超声波顺流传播方向与流体流动方向间夹角,t+、t-可由下列公式确定:

超声波在流动流体中以波的形式传播,不破坏流体流场分布,流体流量与管道横截面积S、流体密度ρ和雷诺数Re及流体传播平均速度uS(或ul)有关.

2　系统硬件组成

　　硬件结构包括数字电路和模拟电路.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,信号整形电路以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.为提高超声波发射功率,系统采用两级功率推动的谐振式发射电路,使用外加高电压触发.谐振回路的振荡频率与换能器内部压电晶片的自然频率匹配时,发射效率最高.经过对样机实际调试发现,触发信号的电流变化率和触发脉冲信号的前沿陡度都影响发射超声波的效率;发射电路中的阻抗和匹配隔离电路是提高电流变化率和改善触发脉冲前沿的关键.同时,发射效率还决定于系统输出触发超声波发射的信号重复频率,某些情况下,触发发射信号的重复频率增加,发射超声波的效率降低.