CN104236647A - 基于单片机解决方案的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机解决方案的超声波流量计，其包括单片机控制部分、超声波发射和采集部分、超声波传输时间测量及计算部分，所述超声波发射和采集部分包括能够沿流体的顺流和逆流方向发射和接收超声波的超声波换能器，所述超声波换能器将其接收到的超声波信号发送到超声波传输时间测量及计算部分，由超声波传输时间测量及计算部分处理并输出沿顺流和逆流方向传播的超声波传输的时间差，该时间差信号发送到单片机控制部分进行处理并计算，得出流体的流量。本发明流量计安装方便、压力损失小、精确度高、成本低。

Description

基于单片机解决方案的超声波流量计

技术领域

本发明涉及一种计量仪器，尤其涉及一种基于单片机解决方案的超声波流量计。

背景技术

准确地进行液体和气体流量测量是企业部门进行经济分析，降低运行成本的关键一环，直接地影响着一个企业的经济效益，倍受供需双方关注。随着世界能源供求日益紧张，人们十分关心并寻求一种精度高、适应性强的流量计来测量液体和气体流量，以维护企业的利益。当前工业上最常见的大口径管道液体和气体流量计以孔板流量计最为广泛，一般的小口径管道和家庭燃气管道气体流量计和自来水管道以腰轮式和涡轮式最为常见。在工业生产中，经常需精确测量和控制流体的流速和流量，而传统的接触式流量计，如电磁流量计、涡轮流量计、孔板差压流量计、涡街流量计等，均不同程度的受到介质的压力、磨损、腐蚀、污染等因素的影响，同时安装要破坏管道，维护困难，维护费用高。

鉴于上述缺陷，实有必要设计一种基于单片机解决方案的超声波流量计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于单片机解决方案的超声波流量计，这种流量计安装方便、压力损失小、精确度高、成本低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于单片机解决方案的超声波流量计，其包括单片机控制部分、超声波发射和采集部分、超声波传输时间测量及计算部分，所述超声波发射和采集部分包括能够沿流体的顺流和逆流方向发射和接收超声波的超声波换能器，所述超声波换能器将其接收到的超声波信号发送到超声波传输时间测量及计算部分，由超声波传输时间测量及计算部分处理并输出沿顺流和逆流方向传播的超声波传输的时间差，该时间差信号发送到单片机控制部分进行处理并计算，得出流体的流量。

采用上述技术方案，本发明的超声波流量计具有如下有益效果：（1）测量的分辨率高，能识别非常小的流量；（2）可靠性好，超声波回波测量更加稳定可靠；（3）量程比宽，始动流量非常小,微小变化可以获知；（4）寿命长，尽管测量速度很快，还是可以拥有非常长的使用寿命；（5）无活动部件，不影响了流体特性,测量性能更加优越；（6）更换非常灵活，更换非常简单,无需断管网。

进一步地，所述超声波换能器包括顺流换能器和逆流换能器，所述顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管线的两侧并在流体管线方向上相距一定的距离，所述顺流换能器和逆流换能器均由发射探头和接收探头组成。

进一步地，所述超声波换能器为沿流体的顺流和逆流方向轮流交替发射和接收超声波的一组超声波换能器。

进一步地，所述超声波发射和采集部分包括载频振荡器、调制器、驱动器、接收放大器、超声波传输时间限定部分、解调器、及放大器。

进一步地，所述载频振荡器产生的载频在调制器中被本质振荡频率调制。

进一步地，所述载频振荡器、调制器、驱动器、超声波传输时间限定部分、接收放大器、解调器组成广义的振荡器反馈网络。

附图说明

图1是本发明流量计一实施例的原理示意图。

图2是超声波发射和采集部分组成图。

图3是单芯片控制部分组成框图。

图4是本发明流量计时差法计算原理示意图。

图中主要元件符号说明：

单片机控制部分        10     超声波发射和采集部分          20

驱动器                3      超声波传输时间测量及计算部分  30

传输时间限定部分      4      接收放大器                    5

解调器                6      载频振荡器                    7

频率测试与计算单元    8

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图4所示，为符合本发明的一种基于单片机解决方案的超声波流量计，其包括单片机控制部分10、超声波发射和采集部分20、超声波传输时间测量及计算部分30。本发明采用的是利用检测流体流动时对顺流和逆流两个方向上发射的超声超声波传输的时间差来测量流体的流量。超声波换能器包括顺流换能器和逆流换能器，两组超声波换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，流体管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L，超声波顺流速度为tu，逆流速度为td，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。

超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁)，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的发射探头，通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收探头接受。接收探头则利用正压电效应，将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。图1中的顺流换能器是由发射探头T1.up和接收探头T1.dn组成；逆流换能器是由发射探头T2.up和接收探头T2.dn组成。

如图2所示的超声波发射和采集部分，调制可以采用调频和调幅的方式。调频方式：载频振荡器7产生的载频在调制器2中被本质振荡频率f调制；驱动器3的作用是保证超声波信号发射探头Tup能得到符合要求的能量；接收放大器5的作用是将超声波接收探头Tdn输出的信号加以放大，并保证阻抗的匹配；发射探头Tup、接收探头Tdn与其间的流体介质组成传输时间限定部分4。解调器6的作用是将整个振荡器的本质振荡频率f解调还原出来，并送到放大器1的输入端，保证振荡器在f频率上稳定工作。超声波信号连续发送，图2中分别示出本质振荡频率Ⅰ、载频频率Ⅱ和调制后频率Ⅲ的波形；超声波发射探头Tup、接收探头Tdn、测量管段等组成超声波传输时间限定部分4。超声波传输时间限定部分4具有选频特性，当输入信号频率f=1/t时，输入输出信号的相位差为零，实际为2π。载频振荡器7、调制器2、驱动器3、超声波传输时间限定部分4、接收放大器5、解调器6组成广义的振荡器反馈网络。广义的振荡器反馈网络的输入输出特性，即频率特性，完全等同于超声波传输时间限定部分4的输入输出特性。用放大器1的输出频率信号f调制载频fo,是为了保证加在超声波探头上的驱动信号频率落在探头的工作频率范围之内，使超声波探头工作在良好的状态。两放大器1的输出端连接到同一频率测试与计算单元8上，计算两个超声波传输的时间差，并将该时间差输出到单片机控制部分10进行处理、计算、显示流体的流量。

图3所示是单片机控制部分的组成，通过该单片机，可以完成超声时差检测、温度检测、压力检测、流量计算、液晶显示控制、数据存储、远程通信（有线及无线）等各种全数字式仪表必备功能。

本发明另一实施例，可以轮流交替地利用同一组超声波换能器既发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收脉冲压力波，可以用一组超声波换能器兼做超声波的收、发用。

介质（液体）在管道中流速，与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。

当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，由此可求出液体的流速。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于，包括单片机控制部分、超声波发射和采集部分、超声波传输时间测量及计算部分，所述超声波发射和采集部分包括能够沿流体的顺流和逆流方向发射和接收超声波的超声波换能器，所述超声波换能器将其接收到的超声波信号发送到超声波传输时间测量及计算部分，由超声波传输时间测量及计算部分处理并输出沿顺流和逆流方向传播的超声波传输的时间差，该时间差信号发送到单片机控制部分进行处理并计算，得出流体的流量。

2.如权利要求1所述的基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于：所述超声波换能器包括顺流换能器和逆流换能器，所述顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管线的两侧并在流体管线方向上相距一定的距离，所述顺流换能器和逆流换能器均由发射探头和接收探头组成。

3.如权利要求1所述的基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于：所述超声波换能器为沿流体的顺流和逆流方向轮流交替发射和接收超声波的一组超声波换能器。

4.如权利要求1所述的基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于：所述超声波发射和采集部分包括载频振荡器、调制器、驱动器、接收放大器、超声波传输时间限定部分、解调器、及放大器。

5.如权利要求4所述的基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于：所述载频振荡器产生的载频在调制器中被本质振荡频率调制。

6.如权利要求5所述的基于单片机解决方案的超声波流量计，其特征在于：所述载频振荡器、调制器、驱动器、超声波传输时间限定部分、接收放大器、解调器组成广义的振荡器反馈网络。