单片机在超声波流量计中的应用研究

　　在水利、电力、冶金、石化、选矿、选煤等各部门,经常需要精确计量和控制液体的流速和流量。超声波流量计集计算机与传感器技术于一体,把现代声学的基础研究成果与智能化电子技术相结合,可应用于各种液体的流量计量中。

　　1　超声波流量计的工作原理及系统构成

　　1·1　基本原理

　　超声波流量计按测量原理分类有:①时差法;②多普勒效应法;③相关法;④噪声法;⑤波束偏移法。时差法和多普勒效应法应用最为普遍,时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量,而多普勒超声波流量计则用于含有适量的固体颗粒或气泡的多相流体的计量。例如:煤浆、污水、浆体等含固体或杂质较多的液体,通常不适于清洁流体的测量。

　　该流量计以多普勒效应为其工作原理,即发射声源被1个相对运动的介质反射时,反射信号与发射信号的频率出现差异,这种现象称之为多普勒效应,而这种频率差即为多普勒频差。

　　如图1所示, 2个专门设计的传感器安装于管道外壁,由于传感器不与流体接触,因此可用于计量有腐蚀或有害的液体,其中1个压电晶体即发射换能器T向流体连续发射频率为F_t的超声波,通过管壁进入流体之中,少部分超声波遇到流体中的气泡、颗粒、悬浮物等介质而发生反射频率为F_r的超声波,由接收传感器即接收换能器R接收,而接收频率F_r将产生多普勒频移F_d。所发射和接收的频率差与流体流速成正比。其理论计算公式为:

     式中　C为声波在声楔中的传播速度(已根据折射定理将流体中的声速换算而来),V为流体流速,θ为超声波束与流体流向夹角,由上式得:

    由上式可知,通过测量F_d便可得出流速V,而(D为圆管内径,这样,解决流速V的测量,便可得出流量q。

　　该流量计可以有效地计量泥浆、乳化液、浆体等介质。

　　1·2　系统构成

　　该超声波流量计主要有超声探头,主机电路和8098单片微机系统组成,其方框图如图2所示。

　　超声探头是一种可逆的换能器,发射探头可将电振荡转换成机械振荡,形成超声波;相反,接收探头可以将从流体中接收的超声波转换成电信号。

    主机电路是一种处理所接收的超声波信号的电路,它将接收信号与发射信号比较,从而得出多普勒差频信号即多普勒频移F_d。在大多数工业现场中,接收回波信号大都十分微弱,同时,由于流体中的反射介质距离所安装的超声探头远近不一(即管径大小,两相流中固体含量的多少或气泡的多少不等),这样就造成了接收信号的强弱不等,经过主机的信号调理电路和自动增益电路,可使超声波信号能稳定地被测量。