CN104596601B - 八声道超声波流量计传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种八声道超声波流量计传感器，包括管道，所述管道沿轴向设有两换能器安装座，两换能器安装座相互间隔，且对称设置，各换能器安装座上均设有八个安装孔，各安装孔均与管道内腔相通，第一换能器安装座的八个安装孔与第二换能器安装座的八个安装孔两两相对，两两相对的安装孔的轴心线位于同一直线，分别构成八个直通式声道，每个直通式声道的轴心线与管道轴心线均相交于同一点，且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为36°，每个安装孔中分别安装有一个超声波换能器，十六个超声波换能器两两相对，构成八组直射式超声波换能器，所述管道的两端分别装有法兰。其能量强度高，灵敏度高，对换能器技术要求低。

Description

八声道超声波流量计传感器

技术领域

本发明涉及一种流量计传感器，尤其涉及一种八声道超声波流量计传感器。

背景技术

超声波流量计(简称USF)是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。与传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，它的计量精度高，对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛采用。

超声波流量计由流量计表体、超声波换能器及其安装部件、信号处理单元和流量计算机组成，超声波换能器采用铸铁酸铅等压电元件制作，利用压电效应发射和接收声波，通过检测流体对超声束（或超声脉冲）的影响来测量流体体积流量。

超声波流量计以传播的时间与流量的关系为原理。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度(C_f)和 流体轴向平均流速（V_m）在声波传播方向上的分量组成。按图11所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是：

（1）

式中-----超声波在流体中逆流传播的时间；

-----超声波在流体中顺流传播的时间；

-----声波在流体中传播的速度；

-----流体的轴向平均流速；

-----声道角。

可利用式（1）的两个公式得出流体流速的表达式：

也可以用相似的方法获得声波的传播速度：

将测得的多个声道的流体流速，=1,2，…，；利用数学的函数关系联合起来，可得到管道平均流速的估计值，乘以过流面积A，即可得到体积流量，如式（4）：

（4）

其中： （5）

式中：------声道数。

注：即便是给出了声道的数目，但得精确形式也会因声道排列情况以及数值计算方法的不同而不同。

声道是换能器声波所通过的路径，超声波在路径上与被测气体接触，其声速受到流速作用，使其正、反向接收到的时间产生差异，这就是速差法的基本原理。声道使得超声波可在流体中进行采样，因此采样面的多少，取决于声道的长短和分布，同样也决定了流场标定因子的取值。声道的长短是由换能器的信号以及转换器中发射、接收信号的能力和计时精度决定的，它的数量多少和各种组合形式是由仪器所要求的准确度等级、现场管道中的稳流器的位置、前后直管段的长度以及用户对仪器可靠性的要求来决定的。

传统的超声波流量计一般都是直射式单声道或者双声道，测量准确度低，实际测量的可靠性低，以及在一个声道出故障时对准确度的影响大等缺点。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种八声道超声波流量计传感器，其实际测量的可靠性高，灵敏度高，对换能器技术要求低。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种八声道超声波流量计传感器，包括管道，所述管道沿轴向设有两换能器安装座，两换能器安装座相互间隔，且对称设置，各换能器安装座上均设有八个安装孔，各安装孔均与管道内腔相通，第一换能器安装座的八个安装孔与第二换能器安装座的八个安装孔两两相对，两两相对的安装孔的轴心线位于同一直线，分别构成八个直通式声道，每个直通式声道的轴心线与管道轴心线均相交于同一点，且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为30°～45°，每个安装孔中分别安装有一个换能器，十六个换能器两两相对，构成八组直射式换能器，所述管道的两端分别装有法兰。

两换能器安装座之间设有接线盒，接线盒上固定有转换器，所述接线盒中设有信号采集板，接线盒上设有十六个换能器接口，所述转换器内设有电源板和数字板，转换器上固定有显示部分，电源板用于为数字板和信号采集板提供电源，数字板用于读取信号采集板的信息进行流速测量，数字板和信号采集板间通过连接线连接。

所述数字板上设有DSP数据处理器、FPGA电路，所述信号采集板上设有DA转换器、AD转换器、功率放大电路、电压放大电路，所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端通过接线盒的换能器接口与各换能器连接，所述DSP数据处理器的第二输出端与电压放大电路连接，所述电压放大电路的输入端通过接线盒的换能器接口与各换能器连接，所述电压放大电路的输出端与AD转换器的输入端连接，所述AD转换器的输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接。

所述显示部分包括人机接口的LCD显示及键盘、通信接口。

所述换能器安装座的安装孔为阶梯孔，换能器与换能器安装座之间设有密封圈，所述换能器通过设有的阶梯定位在换能器安装座的安装孔中通过换能器压紧盖压紧固定。

换能器安装座的安装孔的孔口端面与安装孔的轴心线垂直。

所述两换能器安装座的相对面为圆弧锥面，两换能器安装座的圆弧锥面的直径从内向外逐渐增大。

所述换能器安装座的安装孔与圆弧锥面平行。

八个安装孔环圆周均匀分布在换能器安装座上。

每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为36°。

本发明采用上述技术方案的有益效果为：由于本发明的八声道超声波流量计传感器包括管道，所述管道沿轴向设有两换能器安装座，两换能器安装座相互间隔，且对称设置，各换能器安装座上均设有八个安装孔，各安装孔均与管道内腔相通，第一换能器安装座的八个安装孔与第二换能器安装座的八个安装孔两两相对，两两相对的安装孔的轴心线位于同一直线，分别构成八个直通式声道，每个直通式声道的轴心线与管道轴心线均相交于同一点，且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为30°～45°，每个安装孔中分别安装有一个换能器，十六个换能器两两相对，构成八组直射式换能器，所述管道的两端分别装有法兰。八声道直通式管在结构设计上主要考虑提高超声波穿过流体的强度及提高传感器的检测能力。八声道直通式管在结构形状上，由于声程短，对换能器的信号强度要求低；声波在测量管壁中没有反射点，换能器只要探头的发射面防腐做得好，不必担心管壁长久使用后的腐蚀或管壁上粘结污垢而影响声程的准确性，因此对换能器的自诊断能力要求比较低；同时，短截（测量管段）的制作工艺相对简单，制作费用低，一般的机床加上一些工装即可生产。八声道直通式管对流体清洁度要求低，其信号抗干扰的能力强，是一种可靠性好、实用性强的形式，提高了灵敏度，实现了更加精确的测量，获得了误差较小的数据。

且本发明的八声道直通式超声波测量准确度高，在一个声道处故障时，其他多个声道仍可以工作，并且准确度基本不受影响，因此实际测量可靠性高。

且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为36°时，测量效果最好，准确度高，既能满足各部件的设计、安装，又能使声道数的总长度越长，流量测量的误差越小，大大提高了超声流量计测量准确度等级。

附图说明

图1为本发明的立体结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图2的A向示意图；

图4为发明的安装孔分布示意图；

图5为图4的B-B向剖视图；

图6为图5的P部放大图；

图7为图4的C向示意图；

图8为图4的D向示意图；

图9为图8的E-E向剖视图；

图10为本超声波流量计传感器的电路框图；

图11为超声波流量计传感器的原理示意图。

附图中，1为管道，2为换能器安装座，21为安装孔，3为直通式声道，4为法兰，5为接线盒，51为接口，6为转换器，7为压紧盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图9，一种八声道超声波流量计传感器的实施例，包括管道1，所述管道1沿轴向设有两换能器安装座2，两换能器安装座相互间隔，且对称设置，各换能器安装座上均设有八个安装孔21，各安装孔均与管道内腔相通，第一换能器安装座的八个安装孔与第二换能器安装座的八个安装孔两两相对，两两相对的安装孔的轴心线位于同一直线，分别构成八个直通式声道3，每个直通式声道的轴心线与管道轴心线均相交于同一点，且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为30°～45°。每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为36°是最优方案。每个安装孔中分别安装有一个换能器，十六个换能器两两相对，构成八组直射式换能器，所述管道的两端分别装有法兰4，传感器两端通过法兰与两端待测管道连接，测量流体流速和流量。两换能器安装座之间设有接线盒5，接线盒上固定有转换器6，所述接线盒中设有信号采集板，接线盒上设有十六个换能器接口51，所述转换器内设有电源板和数字板，转换器上固定有显示部分，电源板用于为数字板和信号采集板提供电源，数字板用于读取信号采集板的信息进行流速测量，数字板和信号采集板间通过连接线连接。本实施例的数字板和信号采集板间通过26芯排线连接。所述显示部分为流量计表体，包括人机接口的LCD显示及键盘、通信接口。换能器安装在换能器声道中，超声波通过流体时，在顺流和逆流方向声波传输时间不同，通过时间差计算每个声道的速度，计算八个声道的平均速度，乘以截面积得到流体的体积流量。

换能器（超声波换能器）及其安装部件：这一部分主要负责超声信号的发射、接收、信号调理以及收发切换控制。

数字信号处理部分：DSP系统对采集进来的数字信号进行处理，进行复杂度比较高的流速的计算。

所述换能器安装座的安装孔为阶梯孔，换能器与换能器安装座之间设有密封圈，所述换能器通过设有的阶梯定位在换能器安装座的安装孔中通过换能器压紧盖7压紧固定。换能器安装座的安装孔的孔口端面与安装孔的轴心线垂直。所述两换能器安装座的相对面为圆弧锥面，两换能器安装座的圆弧锥面的直径从内向外逐渐增大。所述换能器安装座的安装孔与圆弧锥面平行。八个安装孔环圆周均匀分布在换能器安装座上。

参见图10，所述数字板上设有DSP数据处理器、FPGA电路，所述信号采集板上设有DA转换器、AD转换器、功率放大电路、电压放大电路。所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端通过接口与各换能器连接，所述DSP数据处理器的第二输出端与电压放大电路连接，所述电压放大电路的输入端通过接口与各换能器连接，所述电压放大电路的输出端与AD转换器的输入端连接，所述AD转换器的输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接。所述DSP数据处理器与存储器连接。DSP数据处理器是增益控制系统的核心单元，发送数据给FPGA电路，FPGA电路根据DSP数据处理器的命令传输相应强度的正弦波信息如幅值,频率给DA转换器，DA转换器输出相应频率、幅值的正弦波信号驱动发射换能器，接收换能器接收发射换能器的信号发生压电转换，输出一定强度的正弦信号输入经电压放大电路到AD转换器，FPGA电路采样AD转换器的采样值（最大值）并传输给DSP数据处理器，经过相应的数据滤波,处理后得出流速。

本系统的DSP数据处理器选用TI公司的TMS320F28335,该DSP数据处理器芯片功能强大,浮点型数据运算能力强,运行速度可达到150M Hz,满足本系统运算速度要求。FPGA电路选用ALTERA公司的EP4E10,内部具有10k的逻辑单元,丰富的IO端口及内部锁相环。数字式增益控制放大器选用AD转换器I公司的AD转换器8370,具有高增益,信号带宽大等优点。所述电压放大电路采用型号为AD转换器8370的数字式增益控制放大器。数字式可变增益放大器选取AD转换器I公司的AD转换器8370,增益值由DSP数据处理器控制,其与DSP数据处理器连接有三条控制线,分别是时钟(CLK),数据(DA转换器TA)及锁存(LTCH)。DSP数据处理器通过写入7位值的增益代码,可提供最高达到52倍的增益。从而使AD转换器的输入信号增强。当AD转换器检测到经信号放大后的峰值电压达到基准幅值的90%时,DSP数据处理器即以此增益作为接收信号的默认放大增益,并将其写入存储器。所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。所述FPGA电路采用型号为EP4E10的FPGA芯片。所述DA转换器采用型号为AD转换器9760AR的数模转换器。所述AD转换器采用型号为AD转换器C12DL040CIVS的模数转换器。所述存储器为EE存储器，所述EE存储器的型号为FM25L04。

超声波流量计是由换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，被接收换能器接收后换转为代表流量并易于检测的电信号，这样就可以实现流量的检测和显示。超声波都够提供传统测量技术所不具备的众多优势，其主要特点如下：

1.结构简单，安装、使用、维护方便。

2.可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟量或者数字量输出。

3.由于换能器在管道内，其信号的发射、接受只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。

Claims (3)

1.一种八声道超声波流量计传感器，其特征在于：包括管道，所述管道的两端分别装有法兰，传感器两端通过法兰与两端待测管道连接，测量流体流速和流量，所述管道沿轴向设有两换能器安装座，两换能器安装座相互间隔，且对称设置，各换能器安装座上均设有八个安装孔，各安装孔均与管道内腔相通，第一换能器安装座的八个安装孔与第二换能器安装座的八个安装孔两两相对，两两相对的安装孔的轴心线位于同一直线，分别构成八个直通式声道，每个直通式声道的轴心线与管道轴心线均相交于同一点，且每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为30°～45°，每个安装孔中分别安装有一个换能器，十六个换能器两两相对，构成八组直射式换能器，换能器安装在换能器声道中，超声波通过流体时，在顺流和逆流方向声波传输时间不同，通过时间差计算每个声道的速度，计算八个声道的平均速度，乘以截面积得到流体的体积流量；

所述两换能器安装座的相对面为圆弧锥面，两换能器安装座的圆弧锥面的直径从内向外逐渐增大，所述换能器安装座的安装孔与圆弧锥面平行，换能器安装座的安装孔的孔口端面与安装孔的轴心线垂直，所述换能器安装座的安装孔为阶梯孔，换能器与换能器安装座之间设有密封圈，所述换能器通过设有的阶梯定位在换能器安装座的安装孔中通过换能器压紧盖压紧固定；八个安装孔环圆周均匀分布在换能器安装座上；

两换能器安装座之间设有接线盒，接线盒上固定有转换器，所述接线盒中设有信号采集板，接线盒上设有十六个换能器接口，所述转换器内设有电源板和数字板，转换器上固定有显示部分，电源板用于为数字板和信号采集板提供电源，数字板用于读取信号采集板的信息进行流速测量，数字板和信号采集板间通过连接线连接；

所述数字板上设有DSP数据处理器、FPGA电路，所述信号采集板上设有DA转换器、AD转换器、功率放大电路、电压放大电路，所述DSP数据处理器的第一输出端与FPGA电路的第一输入端连接，所述FPGA电路的第一输出端与DA转换器的输入端连接，所述DA转换器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端通过接线盒的换能器接口与各换能器连接，所述DSP数据处理器的第二输出端与电压放大电路连接，所述电压放大电路的输入端通过接线盒的换能器接口与各换能器连接，所述电压放大电路的输出端与AD转换器的输入端连接，所述AD转换器的输出端与FPGA电路的第二输入端连接，所述FPGA电路的第二输出端与DSP数据处理器连接，所述DSP数据处理器与存储器连接，DSP数据处理器是增益控制系统的核心单元，发送数据给FPGA电路，FPGA电路根据DSP数据处理器的命令传输相应强度的正弦波信息给DA转换器，DA转换器输出相应频率、幅值的正弦波信号驱动发射换能器，接收换能器接收发射换能器的信号发生压电转换，输出一定强度的正弦信号输入经电压放大电路到AD转换器，FPGA电路采样AD转换器的采样值并传输给DSP数据处理器，经过相应的数据滤波，处理后得出流速，当AD转换器检测到经信号放大后的峰值电压达到基准幅值的90%时，DSP数据处理器即以此增益作为接收信号的默认放大增益,并将其写入存储器。

2.根据权利要求1所述的八声道超声波流量计传感器，其特征在于：所述显示部分包括人机接口的LCD显示及键盘、通信接口。

3.根据权利要求1所述的八声道超声波流量计传感器，其特征在于：每个直通式声道的轴心线与管道轴心线之间的夹角为36°。