非介入式智能超声波流量计

　　1前言

　　在半导体器件的工业化生产过程中，需要对清洗液的流量进行测量，对于不同的批量和品种根据生产工艺的不同采用不同量的清洗液。传统的人工估算清洗液流量的方法，不但效率低、精度差而且还影响操作者的身体健康和产品的稳定性。采用非介入式超声波流量计测量流量可减轻劳动强度、减小浪费，提高产品的一致性和稳定性，提高综合效益。

　　2工作原理

　　2.1超声波时差法检侧流量的原理

　　时差式超声波液体流量计是将成对超声换能器分别夹装在被测管道的外侧，利用正、反向超声波传播的时间差便可测量出管道内液体的流量。其特点是:不破坏流体现场，没有机械惯性、顺变响应快、动态测量能力强、安装和使用方便，对压力高、有毒性、污染及不清洁液体的流量测量更显出其优越性。

　　时差式测量是基于超声波在流体中传播的速度等于被测流体的平均速度与超声波本身速度的矢量和这一基本原理设计的，它通过连续测量流体的平均速度来反映流量的大小。图1为时差式测量圆形管道流体流量的原理图。换能器A、B成对地安装在管道的两侧，两个换能器都为收发合置，A、B交替地作为超声信号的发送器或接收器使用。若发射器A沿顺流方向发射超声波脉冲，假设超声信号从A顺流传播到B所需时间为，再从发射器B沿逆流方向发射超声波脉冲传播到A所需时间为，即:

　　式中，声程LP为声波传播路径的长度;声速c为声波在静止液体中的传播速度流速;流速V为液体沿管道轴向的速度;协为流体在声道方向的速度分量;声道角e为声波传播方向与管轴线之间的夹兔时差△t为逆向与顺向的传播时间差。

　　只要测出、就可计算出△t、v，然后采用专用技术计算出管道截面上的平均面流速，从而进一步求得流体的瞬时流量和累积流量。

　　为了扩大超声波行程，提高测量精度，本文把A、B两个传感器安装为“V”字型。即换能器A、B成对地安装在管道的一侧。

　　2.2系统构成及工作原理

　　结构框图如图2所示。

　　超声波流量计的中央处理机为89C51，由该单片机构成主控装置产生定时信号，并进行数据计算和分析处理及整个仪器的控制协调工作。

　　测量前，通过键盘和显示器进行人机对话，把管道的壁厚、直径D、管材和液体声速等数据输入进去，显示器便显示出换能器的安装尺寸，按此尺寸安装好换能器。89C51通过定时器T。在PI.5脚输出控制脉冲(如图3a所示，图中只画出了控制脉冲的一个周期)，同时高速计数器开始计数。控制脉冲通过窄脉冲发生电路，产生窄脉冲信号(图3b所示)。窄脉冲触发超声波发射电路，产生瞬间高压，激励发射换能器产生超声波(图3c所示)。超声波从换能器A经管壁l进入管道内传输，遇管壁2时反射到换能器B转变为电信号回波(图3d所示)。经放大整形后的脉冲上升沿控制高速计时器停止计时，图3波形e的高电平宽度t即是高速计数器的计数时间，即超声波在管道中的传输时-间。单片机在PI.4发出控制信号转换开关使B端发射、A端接收超声波脉冲，可得到逆向传输时间。经过M次测量由单片机处理计算就可求出流量的统计平均值。