CN104964718A - 一种小流量超声波流量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小流量超声波流量系统及测量方法，属于流量检测计算领域，MCU模块用于对各模块进行控制，接收各模块的数据并进行运算处理；LCD模块与MCU模块相连接，用于对MCU模块产生的数据进行显示；存储器与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向通讯，并对产生的数据进行保存；上位机通信模块与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向数据交换；GP2模块与MCU模块相连接，用于向MCU模块发送测量数据并接受来自MCU模块的指令。采用时差法超声流量计，采用补偿措施，消除温度对声速、水密度影响及非线性误差；采用弧形的声楔结构和制作工艺，使声楔性能稳定，不受温度、振动影响。

Description

一种小流量超声波流量系统及测量方法

技术领域

本发明属于流量检测计算领域，尤其涉及一种小流量超声波流量系统及测量方法。

背景技术

超声波流量检测可分为传播时间法、多普勒效应法、相关法、波束偏移法及噪声法等不同类型的流量测量方法，超声波流量测量方法中的时差法和多普勒法是应用最广泛的。多普勒法利用的是声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体的超声波多普勒频移来确定流体的流量，其基本条件是被测流体中必须存在足够的、具有反射能力的悬浮颗粒或者气泡，因此应用上有一定的局限性。流量传感器在实际测量的过程中，由于多种因素会导值时差发和变化，即带来测量误差，主要误差因素有：流量传感器的管壁锈蚀程度、水中杂质含量、管道振动等因素将影响流量计的精度；温度、介质的变化会导致声传播效率的变化，即接收超声波幅值变化较大，也可能影响测量精度；压电换能器与声楔的耦合方式不同，振动、温度变化等因素会导致声波幅值及时间表变化；空管注入液体介质及介质中可能的汽泡会使管壁及声楔表面附着汽泡，从而使声波幅值及时差发生变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小流量超声波流量系统及测量方法，旨在解决流量传感器在实际测量的过程中，由于多种因素会导值时差发和变化，即带来测量误差的问题。

本发明是这样实现的，该小流量超声波流量系统包括：MCU模块、LCD模块、存储器、上位机通信模块、GP2模块、模拟开关、隔直、选频器、放大器、比较器、超声换能器；

MCU模块用于对各模块进行控制，接收各模块的数据并进行运算处理；LCD模块与MCU模块相连接，用于对MCU模块产生的数据进行显示；存储器与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向通讯，并对产生的数据进行保存；上位机通信模块与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向数据交换；GP2模块与MCU模块相连接，用于向MCU模块发送测量数据并接受来自MCU模块的指令；GP2模块还与模拟开关相连接，并向模拟开关发送激励脉冲；模拟开关的输出端与隔直、选频器相连接，并向隔直、选频器发送回波信号；隔直、选频器与放大器相连接，对产生的噪声信号进行放大；放大器与比较器相连接，比较器采用非过零比较触发，对方波信号进行整形；比较器的输出端与GP2模块相连接，用于将整形后的信号传输到GP2模块；超声换能器设置在水面以下，与模拟开关进行连接，用于接收水中的超声波并进行输出。

本发明还采取如下技术措施：

所述的超声换能器包括：壳体、换能器本体、反射块；

壳体为圆柱形结构，壳体的底部固定安装有反射块，反射块设为梯形结构，反射块的顶面设置为弧形；反射块的侧边上固定有换能器本体，换能器本体的末端穿过，壳体的外壳并与壳体外壳垂直设置。

所述的反射块的顶面还可设置为与水平面呈固定夹角的倾斜面结构。

小流量超声波流量计的测量方法，其特征在于，该测量方法如下所述：在河边设置两个超声换能器，两个超声波换能器呈“V”型安装，夹角为：θ，水流速度

所述的两个超声波换能器还能设为“Z”型或“W”型安装。

反射面产生汽泡和杂质存留原因是：液体在反射面处截面突然扩大，压力急剧下降，反射面处的流速几乎为零，故汽泡和杂质不能带走，容易在反射面产生汽泡和杂质存留。通过在在反射面之前，增加一向下引流措施，即水平线与斜线间增加弧形或斜线过渡，使反射面处液体有一定流速，从而能带走汽泡和杂质。

某些声学特性与静止介质中的声学特性不同，超声波的声学特性随流速不同而变化的原理来测量流量的，实际使用中时差法是通过测量超声波顺流和逆流传播时间的时差来反应流速，不受介质、温度和杂质的影响，不受入射波幅值影响，反射波幅值变化50％，时差变化小于50pS。GP2模块给出超声换能器信号，接收流量测量的时间信号。超声换能器信号转换为GP2间的模拟电路，则将换能器接收信号转换为GP2所需的STOP信号。

系统设计中时间测量主要由TDC-GP21芯片完成，其分辨率45ps，采用无引脚封装，具有高速脉冲发生器，停止信号使能，精度为10ns的时间窗功能；时差法超声流量计量程比宽，其分辨率与满量程比可达1:10000。

超声是指频率高出20KHz的弹性振动，这种振动以波的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波在流体中传播速度等于被测流体的平均速度和声速的矢量和，超声波测量流量正是基于这一基本原理设计而成。当超声波入射到流体后，在流体中传播就载有流体的流速信息，利用接收到的折射波和反射波就可以测量流体的流速。超声换能器接收超声波后输出为正弦波信号，而GP2计时所接收信号为方波上下沿触发，因此正弦波信号需整形方波，电路中要用比较器进行整形。为避免电路的干扰导致非正常触发，采用非过零比较触发。超声换能器接收超声波后输出信号较小且可能有噪声，故在比较器之前加有放大滤波电路。采用非过零比较来取得超声信号传播的时间值，由于超声信号传感器对因为效率而导致的误差，以及由于非过零比较信号导致的超声信号传播物理响应带来的误差通过一组多参数优化方法来补偿，通过数据处理方法消除了这方面的影响。

本发明具有的优点和积极效果是：采用时差法超声流量计，压损小、无腐蚀、不堵塞；采用补偿措施，消除温度对声速、水密度影响以及非线性误差；采用弧形的声楔结构和制作工艺，使声楔性能稳定，不受温度、振动影响；采用电路、软件抗干扰措施以及独特的流场设计，在极端情况下，静水零点变化小于50pS；经过了温度、振动冲击和杂质实验，产品质量稳定可靠；采用弧形或者过渡的流场结构，使声波传输范围内的流场稳定，流量计重复性好，波动小；弧形或者过渡的流场结构和声楔处理措施，使声楔表面在任何情况下不会有汽泡产生，管道中的汽泡和杂技对声波传输影响小，使流量计具有较高的精度和较广的适应范围。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小流量超声波流量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超声换能器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的超声换能器的剖视图；

图4是本发明实施例提供的小流量超声波流量测量方法原理图；

图中：1、MCU模块；2、LCD模块；3、存储器；4、上位机通信模块；5、GP2模块；6、模拟开关；7、隔直、选频器；8、放大器；9、比较器；10、超声换能器；11、壳体；12、换能器本体；13、反射块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。如图1至图4所示；该小流量超声波流量系统包括：MCU模块1、LCD模块2、存储器3、上位机通信模块4、GP2模块5、模拟开关6、隔直、选频器7、放大器8、比较器9、超声换能器10；

MCU模块1用于对各模块进行控制，接收各模块的数据并进行运算处理；LCD模块2与MCU模块1相连接，用于对MCU模块1产生的数据进行显示；存储器3与MCU模块1相连接，用于与MCU模块1进行双向通讯，并对产生的数据进行保存；上位机通信模块4与MCU模块1相连接，用于与MCU模块1进行双向数据交换；GP2模块5与MCU模块1相连接，用于向MCU模块1发送测量数据并接受来自MCU模块1的指令；GP2模块5还与模拟开关6相连接，并向模拟开关6发送激励脉冲；模拟开关6的输出端与隔直、选频器7相连接，并向隔直、选频器7发送回波信号；隔直、选频器7与放大器8相连接，对产生的噪声信号进行放大；放大器8与比较器9相连接，比较器9采用非过零比较触发，对方波信号进行整形；比较器9的输出端与GP2模块5相连接，用于将整形后的信号传输到GP2模块5；超声换能器10设置在水面以下，与模拟开关6进行连接，用于接收水中的超声波并进行输出。

本发明还采取如下技术措施：

所述的超声换能器10包括：壳体11、换能器本体12、反射块13；

壳体11为圆柱形结构，壳体11的底部固定安装有反射块13，反射块13设为梯形结构，反射块13的顶面设置为弧形；反射块13的侧边上固定有换能器本体12，换能器本体12的末端穿过壳体11的外壳，并与壳体11外壳垂直设置。

所述的反射块13的顶面还可设置为与水平面呈固定夹角的倾斜面结构。

小流量超声波流量计的测量方法，其特征在于，该测量方法如下所述：在河边设置两个超声换能器10，两个超声波换能器呈“V”型安装，夹角为：θ，水流速

所述的两个超声波换能器还能设为“Z”型或“W”型安装。

反射面产生汽泡和杂质存留原因是：液体在反射面处截面突然扩大，压力急剧下降，反射面处的流速几乎为零，故汽泡和杂质不能带走，容易在反射面产生汽泡和杂质存留。通过在在反射面之前，增加一向下引流措施，即水平线与斜线间增加弧形或斜线过渡，使反射面处液体有一定流速，从而能带走汽泡和杂质。

某些声学特性与静止介质中的声学特性不同，超声波的声学特性随流速不同而变化的原理来测量流量的，实际使用中时差法是通过测量超声波顺流和逆流传播时间的时差来反应流速，不受介质、温度和杂质的影响，不受入射波幅值影响，反射波幅值变化50％，时差变化小于50pS。GP2模块5给出超声换能器10信号，接收流量测量的时间信号。超声换能器10信号转换为GP2间的模拟电路，则将换能器接收信号转换为GP2所需的STOP信号。

系统设计中时间测量主要由TDC-GP21芯片完成，其分辨率45ps，采用无引脚封装，具有高速脉冲发生器，停止信号使能，精度为10ns的时间窗功能；时差法超声流量计量程比宽，其分辨率与满量程比可达1:10000。

超声是指频率高出20KHz的弹性振动，这种振动以波的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波在流体中传播速度等于被测流体的平均速度和声速的矢量和，超声波测量流量正是基于这一基本原理设计而成。当超声波入射到流体后，在流体中传播就载有流体的流速信息，利用接收到的折射波和反射波就可以测量流体的流速。超声换能器10接收超声波后输出为正弦波信号，而GP2计时所接收信号为方波上下沿触发，因此正弦波信号需整形方波，电路中要用比较器9进行整形。为避免电路的干扰导致非正常触发，采用非过零比较触发。超声换能器10接收超声波后输出信号较小且可能有噪声，故在比较器9之前加有放大滤波电路。采用非过零比较来取得超声信号传播的时间值，由于超声信号传感器对因为效率而导致的误差，以及由于非过零比较信号导致的超声信号传播物理响应带来的误差通过一组多参数优化方法来补偿，通过数据处理方法消除了这方面的影响。

本发明具有的优点和积极效果是：采用时差法超声流量计，压损小、无腐蚀、不堵塞；采用补偿措施，消除温度对声速、水密度影响以及非线性误差；采用弧形的声楔结构和制作工艺，使声楔性能稳定，不受温度、振动影响；采用电路、软件抗干扰措施以及独特的流场设计，在极端情况下，静水零点变化小于50pS；经过了温度、振动冲击和杂质实验，产品质量稳定可靠；采用弧形或者过渡的流场结构，使声波传输范围内的流场稳定，流量计重复性好，波动小；弧形或者过渡的流场结构和声楔处理措施，使声楔表面在任何情况下不会有汽泡产生，管道中的汽泡和杂技对声波传输影响小，使流量计具有较高的精度和较广的适应范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小流量超声波流量系统，其特征在于，该小流量超声波流量系统包括：MCU模块、LCD模块、存储器、上位机通信模块、GP2模块、模拟开关、隔直、选频器、放大器、比较器、超声换能器；

MCU模块用于对各模块进行控制，接收各模块的数据并进行运算处理；LCD模块与MCU模块相连接，用于对MCU模块产生的数据进行显示；存储器与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向通讯，并对产生的数据进行保存；上位机通信模块与MCU模块相连接，用于与MCU模块进行双向数据交换；GP2模块与MCU模块相连接，用于向MCU模块发送测量数据并接受来自MCU模块的指令；GP2模块还与模拟开关相连接，并向模拟开关发送激励脉冲；模拟开关的输出端与隔直、选频器相连接，并向隔直、选频器发送回波信号；隔直、选频器与放大器相连接，对产生的噪声信号进行放大；放大器与比较器相连接，比较器采用非过零比较触发，对方波信号进行整形；比较器的输出端与GP2模块相连接，用于将整形后的信号传输到GP2模块；超声换能器设置在水面以下，与模拟开关进行连接，用于接收水中的超声波并进行输出。

2.如权利要求1所述的小流量超声波流量系统，其特征在于，所述的超声换能器包括：壳体、换能器本体、反射块；

壳体为圆柱形结构，壳体的底部固定安装有反射块，反射块设为梯形结构，反射块的顶面设置为弧形；反射块的侧边上固定有换能器本体，换能器本体的末端穿过，壳体的外壳并与壳体外壳垂直设置。

3.如权利要求2所述的小流量超声波流量系统，其特征在于，所述的反射块的顶面还可设置为与水平面呈固定夹角的倾斜面结构。

4.一种小流量超声波流量计的测量方法，其特征在于，该测量方法采用如下技术措施：在河边设置两个超声换能器，两个超声波换能器呈“V”型安装，夹角为：θ，水流速度设为：v，两个超声波之间的声程距离为：L，则得到超声波顺流传播时间为：

超声波逆流传播时间为：

因此， $\mathrm{\Δ}t=t_2-t_1=\frac{4Lvsin\mathrm{\θ}}{c^2-v^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}.$

5.如权利要求4所述的小流量超声波流量计的测量方法，其特征在于，所述的两个超声波换能器还能设为“Z”型或“W”型安装。