一种夹装式超声波多谱勒流量计

　　1　基本原理

　　根据声学多谱勒效应,当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受的声频率将不同于声源所发出的声频率,这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。图1是多谱勒流量计原理图。发射探头T以频率ft发射超声波,遇到流体中微粒反射后,由接收探头R接收。这时产生多谱勒频移,有下面关系:

　　由此可得流速v和频偏fd的关系式:

式中:c1是声楔材料(固体)的声速,稳定性很好;1是声波的入射角。

　　2　超声波探头

　　我们采用发射头的参数是ft=500kHz,=45°,c1=2500m/s.设v=1m/s,则fd=283Hz,相当于1Hz的频偏为3.5mm/s流速。由fd的表达式可见,若采用较高发射频率,例如ft=2000kHz,或降低c1值都可以提高分辨率。但是频率愈高,实现的技术要求也愈高。采用的声楔是一种专门配制的环氧树脂,c1值较小,这种材料质地均匀,便于加工和粘贴。取45°,实践证明这时换能器有较大的透射能量和较高的信噪比。

　　3　仪表的硬件原理

　　流量计原理如图2所示,由两个部分组成。一部分是以CXA1019为中心的信号产生发射及接收调理部分。另一部分是以89C52单片机为中心的智能数据采集,数据处理及仪表管理部分。信号收发中心电路采用调频调幅收音机的专用集成电路SONYCXA1019,这个IC价廉,性能良好。其主要功能有:AM放大混频,中放检波及AGC电路;FM混频中放及鉴频;还有音频放大器,音量控制器及电源滤波器。工作过程是:5脚是震荡源,发出500kHz的方波,由放大驱动电路驱动发射器。收波由10脚接收,经内部的放大,解调后,由27脚输出频偏信号,再经IC AD623放大。采用集成开关电容滤波器MF10对放大后的信号低通滤波。滤波后得到的频偏电压由压频变换器LM2907变换成频率信号送单片机的计数输入端T1计数。计数时间由时钟发生器DA12887的秒中断控制,经计算得到平均流速、流量和累积流量。由键盘向仪表输入工作参数,由LCD显示器显示测量参量。信号强度指示灯指示信号状态,帮助调整探头。串行10位数模转换器IC TLC5615和电压电流转换器ICAD694组成4~20mA输出电路,表示瞬时流量。

　　4　软件设计

　　软件设计的关键是计数计量,由于最大偏频不会超过1000Hz(满量程为6m/s时),MCS-51内的16位计数器是够用的,采用11.0592MHz晶振,分辨计数的时间也是足够的。1s定时中断选择最高优先级,中断后即读取计数器的计数值。由中断到读取计数完毕,最长的时间是几个微秒,和计数脉冲的速率相比,可以不计。单片机的其它工作,可在中断外的其它时间内完成,主程序的主要工作是等待秒中断。输入键盘采用查询方式,以防影响计量。由于秒中断计量使仪表更新显示反应较慢,可以设定二分之一秒中断,人眼感觉反应速度很快。