相位差法超声波流量计的研制

    在工业现场,流量作为一个重要的工艺参数,如何实现其实时、准确地测量,是测量领域的关键技术之一。基于工业现场工况条件复杂、环境恶劣,以及介质特性、流相、测量准确度等因素考虑,对流量计的技术性能的要求越来越高。超声波流量计是一种非接触仪表,与其它类型的流量计相比,超声波流量计无移动部件、无磨损、无压损、无潜在泄漏^[1]。尤其是外卡式超声波流量计,只需将流量计安装在管道外部即可测量,安装时不用停产,也不必切断管道。超声波流量计的类型主要有速度差法超声流量计(时差法、相差法和频差法)、多普勒超声波流量计。本文主要对相位差法超声波流量计进行研究。

    1　相位差法测量原理

    相位差法超声波流量测量原理^[2]如图1所示。图中管道口径为D,流体以速度ν流过管道,A,B为发射换能器,A^′,B^′为接收换能器,θ为超声传播角,c为超声波在流体中的传播声速。

    ①超声正程发射/接收过程

    由发射换能器A发出的超声波,沿顺流方向穿过流体,由接收换能器A′接收,顺流传播的时间为

    ②超声逆程发射/接收过程

    由发射换能器B发出的超声波,沿逆流方向穿过流体,由接收换能器B^′接收,逆流传播的时间为

    由式(1),(2)可得顺逆程超声波传播时间差为

    Δt=tAA_^′-tBB′     (3)

    相位差法测量的物理量是两组信号的相位差。当两个发射换能器发射连续的超声波信号时,两个接收换能器接收到的信号之间产生的相位差为

    Δ^φ= 2^πfΔt          (4)

式中,f为超声波频率。

    由式(1)-(4)可得流体流速为

    体积流量为

    q_ν=S·ν=SkΔ^φ       (6)

式中,S=πD2/4为管径节面积。

    2　硬件电路设计

    系统硬件电路设计包括发射电路、接收电路、仪表标准电流电路和数字单元电路四个部分,如图2所示。超声波发射换能器和接收换能器外夹安装在管道上。电路工作原理:基准信号源产生频率为640kHz的正弦信号,经功率放大后驱动超声波发器向被测流体中发射连续超声波;接收换能器将收到的超声波回波信号转换成相应的电信号^[3],再经过接收电路进行限幅、低通滤波及放大,即信号调理,送入数字单元电路;数字单元电路以TMS320LF-2407A数据信号处理器^[4](其内置A/D转换器、串行接口、双向I/O口等)为核心器件,外加显示器、键盘、串行通讯接口、存储器、JTAG接口等。该电路首先要利用A/D转换器对放大后的被测信号进行模/数转换,然后对数字信号进行处理,通过算法计算出系统在发射、采样、插值等方面的参数,最后完成流量计算、显示及传输。标准电流电路包括D/A(数/模转换器)、U/I(电压/电流变换器)两部分。该电路将瞬时流量转换成4mA~20mA标准电流输出,可作为二次仪表的输入信号利用。