新型高可靠性超声波流量测量系统

　　0 引言

　　目前国内的超声流量测量技术主要是靠进口，为了解决目前国内超声流量计在气体计量方面所存在的问题，缩小与国外的差距，经多次试验设计出一种全新的电路系统。还可以实现超声波的遥控、测距、防盗等检测功能。

　　1 超声波传感器检测流量的设计

　　图1 为时差法测量管道气体流量的原理图。有两个超声换能器分别安装在管道的两外侧：A 点和 B 点处，A 与 B 的同轴线与管道的中心轴线成θ 角。两传感器分时测量两次：首先换能器在 A点处顺管道气体流动方向发射超声波串，用换能器在 B 点处接收，可以测得顺程时间 tAB;然后改用换能器在 B 点处沿气体流向的逆向再发射超声波串，用换能器在 A 点处接收，又可测得逆程时间 tBA。取二者之差(tBA- tAB)可以表示被测气体流速或流量。以下推导流速、瞬时流量和累积流量的表达式。

　　1)流速方程式

　　在图1 中，超声波顺气流方向从 A 点送到 B点的静态顺程传播速度c被流体流速vm所加快，有：

　　反之，超声波从 B 点送到 A 点的逆程传播速度 c 会被流体流速 vm所减缓，可表为：

　　联合式(1)和(2)式经过变换可得时差法流速方程式：

　　式中 DN为管道内径;q 为超声传播方向与管道轴向的夹角;C 为超声在静止流体中传播速度;vm为管道内气体的平均流速。

　　2)流量方程式

　　时差法所测量和计算的气体流速是管道中气体的流速 vm，将之乘以管道横截面积就可以得到瞬时体积流量 qv：

　　对瞬时体积流量进行长时间连续积分，可以得出累积流量 V 的表达式：

　　2 系统结构

　　全电子式流量计主要结构如图2 所示，由传感器和电子电路组成。

　　1)检测器件:包括一对进行流量测量的超声传感器、一个进行气体密度补偿的超声传感器、一个进行气体温度补偿的温度传感器(热电阻)和一个进行气体压强补偿的压力传感器。

　　2)超声发射与接收电路图3, 4所示。

　　3)微处理器：采用 TI 公司的超低功耗单片机MSP430F147。

　　4)通讯模块：一个 485 串行通讯口，一个4 ～ 20mA 电流环输出接口，一个4 ～ 20mA 电流环输入接口。

　　5)带 I2C 接口的掉电不丢失数据存贮器和时钟日历芯片。

　　6)一节 3.6V 锂电池供电的电子稳压系统。

　　3 系统功能

　　整机功能主要有：对管道气体的瞬时流量和累积流量进行精确的测量;通过四个按键进行管道参数、气体介质参数和仪表常数等参数的设置及修定;显示功能：包括瞬时流量、累积流量、时间日期、天然气密度、管道压力等 21 个参数的显示;气体介质、气体压力以及气体温度三种影响量的误差自补偿;掉电数据不丢失功能;报警功能;通讯功能：具备 RS485 通讯和 4 ～ 20mA电流环两种通讯功能;单电池供电，一节电池可以使用 8 年以上。