改进超声波流量计性能的研究

　　1　引　　言

　　超声波流量计是将超声波传感器夹装在被测管道的外侧,利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。它安装方便,不影响流体的流动状态,测量范围宽、精度高,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。本文讨论的是时差法超声波流量计的性能改进问题。

　　2　测量原理

　　超声波流量计的测量的公式如下:

　　式中:D——管道内径;

　　θ——声速进入流体介质的折射角;

　　T1——顺流传播时间;

　　T2——逆流传播时间;

　　T0——(T1+T2)/2

　　τ——流体以外声传播时间及电路延迟时间之和;

　　再代入流速分布修正系数k和管道内径D即可由求得流量。

　　3　系统组成原理

　　硬件电路由A、B两部份组成,A为主控板,由CPU1控制;B为测控板,由CPU2控制(如图1所示)。两部分之间利用通信口进行数据交换。

　　A部分利用键盘和液晶显示器以人—机对话的形式,输入管径、壁厚、液体介质等测量条件,然后变换成CPU1和CPU2所需的各种参数;监视和控制B部分的工作,对B部分送来的数据进行各种补偿和运算,显示并打印测量结果。

　　B部分是这样工作的:定时控制电路每隔5ms产生一次发射脉冲,并且控制顺流方向和逆流方向相互切换;鉴相器通过相位比较来控制两个VCO的振荡频率,CPU2根据VCO1和VCO2的振荡频率f1、f2以及从发射到接收这段时间内对频率f1、f2的计数值N1、N2来进行T1=N1/f1、T2=N2/f2的运算,进而求得流量。

　4　提高测量精度和稳定性可靠性的方法

　　影响超声波流量计性能的因素很多,本文着重讨论从流量计本身设计方面提高测量精度、稳定性和可靠性的方法。

　　4.1　改进的传感器驱动电路

　　接收信号质量的好坏直接取决于发射传感器的发射信号,除了选用性能优良的超声波传感器外,发射电路的设计也非常重要。本文采用耐高压、高速度场效应晶体管(MOSFET)作为传感器驱动元件,由窄脉冲形成器来控制触发脉冲的宽度,窄脉冲经过一个高速门极驱动器来驱动MOSFET。

　　4.2　高精度的测时电路

　　在超声波流量计中,对测量精度的要求是很高的。以50mm口径管道为例,为扩大声程,采用V字形安装,在介质流速为1m/s时,时差ΔT仅为37ns,要达到1%的分辨率(即0.37ns),用一般的方法很难实现。本文采用PLL技术,能在不太高的计数频率下获得0.1ns的时间分辨率,其工作原理如下:发同步信号打开时间计数器,对分频后的VCO频率进行计数,接收信号到达时立即关闭计数器,同时对VCO分频后计数脉冲的高低沿进行采样,采样结果与接收信号送鉴相器,鉴相器将相位差转换为电压去控制VCO的振荡频率,PLL回路工作稳定时,鉴相器输入的相位差为零,计数器的计数值恰好为整数个,这样就大大降低相位误差给计时精度造成的影响。本文采用的VCO中心频率为10MHz,ΔT为37ns时,VCO的频偏是7.6kHz,完全满足测时分辨率的要求。