CN108645465A - 一种基于工程力学的流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工程力学的流量计，包括流量检测装置和数据采集系统，所述数据采集系统一端与流量检测装置连接，所述流量检测装置包括中间直管、左弯管、右弯管、超声换能器A和超声换能器B，所述左弯管和右弯管分别设置在中间直管的左右两端，且在左弯管与中间直管左端的连接处设置有连接头A，所述右弯管与中间直管右端的连接处设置有连接头B，所述超声换能器A和超声换能器B分别设置在连接头A、连接头B的外侧，且超声换能器A和超声换能器B设置在同一水平线上，解决了超声波在传播过程中的折射衰减和波束偏移的问题，能够实现高精度、高效率流体测量的功能，保证了测量结果的准确可靠。

Description

一种基于工程力学的流量计

技术领域

本发明涉及工程力学技术领域，具体为一种基于工程力学的流量计。

背景技术

工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科，工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础，其最基础的部分包括静力学和材料力学。

基于工程力学解决工程实际问题时，常需要用到流量计，流量计按照目前最流行、最广泛的分类法，可分为：差压式流量计、涡街流量计、涡轮流量计、浮子流量计、数字靶式流量计、电磁流量计和超声波流量计，每种流量计都有各自的特点和适用范围，其中，超声波流量计作为近年来发展起来的一种新型流量测量仪表，由于具有无压损、口径越大准确度越高、可在已有管道上安装、多声道可适应复杂流场等诸多优势，在工程力学流量测量领域发挥着越来越重要的作用。

结合附图4，传统超声波流量计为“Z”型结构，在充满液体的管路外壁外侧设置两个成夹角的收发一体式超声换能器，分别测量两个超声换能器之间超声波的正向传播时间和逆向传播时间，可计算出超声传播时间差，从而根据流体流量公式换算成流体的流量。

对于小管径流体流量测量，如果使用“Z”型流量计结构则存在明显不足：

(1)如果小管径的直径d小于10mm，因超声波传播路径l为故超声波传播时间就非常小，为纳秒级以下，以测量精度为1％测算，则流量计系统的时间分辨率必须为几百皮秒，这样对超声波流量计测量系统的设计要求就非常高,不易实现；

(2)超声波在液体和管壁界面传播时,夹角对其折射波强度衰减影响很大，在液体流速过大时,超声波信号存在波束偏移现象，相应接收换能器所接收的超声信号衰减明显，不利于高精度测量。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于工程力学的流量计，能够实现高精度、高效率流体测量的功能，保证了测量结果的准确可靠，且能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于工程力学的流量计，包括流量检测装置和数据采集系统，所述数据采集系统一端与流量检测装置连接，所述流量检测装置包括中间直管、左弯管、右弯管、超声换能器A和超声换能器B，所述左弯管和右弯管分别设置在中间直管的左右两端，且在左弯管与中间直管左端的连接处设置有连接头A，所述右弯管与中间直管右端的连接处设置有连接头B，所述超声换能器A和超声换能器B分别设置在连接头A、连接头B的外侧，且超声换能器A和超声换能器B设置在同一水平线上。

进一步地，所述数据采集系统包括A/D芯片和ARM处理器，所述ARM处理器一端与A/D芯片连接，另一端依次通过D/A转换电路、驱动电路与超声换能器A连接，所述超声换能器B一端通过放大电路与A/D芯片连接。

进一步地，所述放大电路与超声换能器B之间设置有有源带通滤波电路。

进一步地，所述有源带通滤波电路包括低通电路和高通电路，所述低通电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和运算放大器U1，所述电阻R1的一端与放大电路的输出端连接，另一端分别与电阻R2、电阻R3和电容C2连接，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正输入端连接，并经电容C1接地，电容C2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的负输入端经电阻R5与运算放大器U1的输出端连接，并经电阻R4接地；

所述高通电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C3、电容C4和运算放大器U2，电容C3的一端与运算放大器U1的输出端连接，另一端接电容C4的一端，并与运算放大器U2的输出端连接，电容C4的另一端与运算放大器U2的正输入端连接，并经电阻R6接地，运算放大器U2的负输入端经电阻R7和电阻R8与运算放大器U1的输出端连接，电阻R7和电阻R8的连接点经电阻R9接地，运算放大器U2的输出端与超声换能器B连接。

进一步地，所述放大电路采用自动增益控制。

进一步地，所述连接头A与左弯管、中间直管之间，连接头B与右弯管、中间直管之间均采用螺纹旋合方式连接，且在连接处套设有环状的橡胶密封圈。

进一步地，所述ARM处理器采用的是ARM7微处理器LPC2138。

进一步地，所述A/D芯片采用的是12位流水线结构的ADC12DL040芯片，且A/D芯片的内部有采样保持电路和基准电压源。

进一步地，所述中间直管的外侧设置有水通管路，且所述水通管路的左端连接有进水管，所述进水管左端设置有滤网。

进一步地，所述左弯管与中间直管、右弯管与中间直管均呈135°安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过“π”型结构流量检测装置的设置，一方面，有效避免了该流量计接入测试管路时对被测液体流动状态的影响；另一方面，通过将两个超声换能器放置在测试管路的两端，大大延长了超声波的传播路径，有利于测量超声传播时间差，而且，相比较传统“Z”型结构的流量计，该流量计中两个超声换能器之间的夹角为零，避免了超声波在传播过程中的折射衰减和波束偏移的问题，从而有效保证了该基于工程力学的流量计测量结果的准确可靠性，提高了测量精度；

(2)本发明设置的基于ARM的数据采集系统，通过高速高分辨率的数据采集，实现了精确计算超声波纳秒级顺逆流时间差的功能，在提高流量计精度的同时，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的流量检测装置结构示意图；

图2为本发明的数据采集系统信号流程图；

图3为本发明的有源带通滤波电路图；

图4为传统“Z”型流量计结构示意图。

图中标号：

1-流量检测装置；2-数据采集系统；3-连接头A；4-连接头B；5-有源带通滤波电路；6-橡胶密封圈；7-水通管路；8-进水管；9-滤网；

101-中间直管；102-左弯管；103-右弯管；104-超声换能器A；105-超声换能器B；

201-A/D芯片；202-ARM处理器；203-D/A转换电路；204-驱动电路；205-放大电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供了一种基于工程力学的流量计，包括流量检测装置1和数据采集系统2，所述数据采集系统2一端与流量检测装置1连接，所述流量检测装置1包括中间直管101、左弯管102、右弯管103、超声换能器A104和超声换能器B105，所述左弯管102和右弯管103分别设置在中间直管101的左右两端，且在左弯管102与中间直管101左端的连接处设置有连接头A3，所述右弯管103与中间直管101右端的连接处设置有连接头B4，所述超声换能器A104和超声换能器B105分别设置在连接头A3、连接头B4的外侧，且超声换能器A104和超声换能器B105设置在同一水平线上，从而使得超声换能器A104和超声换能器B105之间的夹角为零，避免了超声波在传播过程中的折射衰减和波束偏移的问题，左弯管102与中间直管101、右弯管103与中间直管101均呈135°安装，构成了“π”型结构，相比较传统“Z”型结构流量计，该结构的优点是能够有效避免流量计接入测试管路时对被测液体流动状态的影响；将超声换能器A104和超声换能器B105分别放置在管路的两端，延长了超声波的传播路径，有利于测量超声传播时间差。

假设流体流向为超声换能器A→超声换能器B，则超声波顺流传播的时间为：

超声波逆流传播的时间为：

其中：

L为超声换能器A与超声换能器B端面之间的直线距离；

c₀为超声波在静止液体中的传播速度；

v为超声波在被测流体传播方向上的平均线速度；

t_d为超声波在管壁与换能器之间的传播时间以及电路延时时间的总和。

为了消除t_d对计算流量带来的不确定性影响，采用公式：

由于超声波在液体中传播速度远大于液体的流速，公式中c₀ ²远大于v²，所以，可近似为：

这是超声波传播路径上的平均线速度，而流量计算时需采用管路截面的平均流速，必须进行流体动力学修正。

流量q为：

式中ρ为流体密度，定义k为速度转换参数，其值通过流量计管路内的速度分布剖面导出。

所述数据采集系统2包括A/D芯片201和ARM处理器202，所述ARM处理器202一端与A/D芯片201连接，另一端依次通过D/A转换电路203、驱动电路204与超声换能器A104连接，所述超声换能器B105一端通过放大电路205与A/D芯片201连接，ARM处理器202采用的是ARM7微处理器LPC2138，所述A/D芯片201采用的是12位流水线结构的ADC12DL040芯片，且A/D芯片201的内部有采样保持电路和基准电压源。

进一步解释的是，高精度超声波流量计的时间测量需要高分辨率数据采集系统来实现，将模拟信号转换为数字信号，从而送入ARM处理器202中进行计算，最终达到测量纳秒级时间差的目的。

分辨率是指A/D芯片能够识别的最小模拟输入量，用二进制位数表示处理数字码位数的能力，选择12位的ADC12DL040芯片，其分辨率为212，用百分数表示：

1/2¹²×100％＝1/4096×100％＝0.0244％；

ADC12DL040芯片是高性能、单电源+3V、最高采样频率可达40MSPS的双路12位低功耗单片ADC，采用有数字误差修正差分流水线架构，使得高速A/D芯片采样转换速率比转换时间快得多，在前一次转换完成之前就开始新的转换。

数据采集系统2的工作原理如下：

超声换能器能够把超声波机械振动信号转换为电信号，也能够把电信号转换为超声波机械振动信号，ARM处理器202发出正弦信号，经过D/A转换电路203，在驱动电路204作用下，驱动超声换能器A发出超声波，超声波机械振动在液体中传播，载上液体流速信息后超声换能器B接收并转换为电信号，超声波电信号通过放大电路205，再由A/D芯片201进行数据转换，将模拟信号转换为12位的数字信号，同时高速采样数据经过FIFO存入ARM处理器202内，再对已存储的采样数据进行处理，计算出被测的超声波顺逆流时间差。

补充说明的是，FIFO是First Input First Output的缩写，先入先出队列，这是一种传统的按序执行方法，先进入的指令先完成并引退，跟着才执行第二条指令，在超市购物之后会提着我们慢慢的购物车来到收银台排在结账队伍的最后，眼睁睁地看着前面的客户一个个离开，这就是一种先入先出机制，先排队的客户先行结账离开。

所述放大电路205与超声换能器B105之间设置有有源带通滤波电路5，有源带通滤波电路5的设置，实现了良好的滤波效果，能够滤除超声换能器B105发送信号中的杂波信号，大大提高了该流量计的计量精度。

所述有源带通滤波电路5包括低通电路和高通电路，所述低通电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和运算放大器U1，所述电阻R1的一端与放大电路205的输出端连接，另一端分别与电阻R2、电阻R3和电容C2连接，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正输入端连接，并经电容C1接地，电容C2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的负输入端经电阻R5与运算放大器U1的输出端连接，并经电阻R4接地。

所述高通电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C3、电容C4和运算放大器U2，电容C3的一端与运算放大器U1的输出端连接，另一端接电容C4的一端，并与运算放大器U2的输出端连接，电容C4的另一端与运算放大器U2的正输入端连接，并经电阻R6接地，运算放大器U2的负输入端经电阻R7和电阻R8与运算放大器U1的输出端连接，电阻R7和电阻R8的连接点经电阻R9接地，运算放大器U2的输出端与超声换能器B105连接。

所述放大电路205采用自动增益控制，自动增益控制是使放大电路205的增益自动地随着信号强度而调整的自动控制方法，自动增益控制是限幅输出的一种，它利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整，当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低，衰减输入信号，从而实现该放大电路205的自动增益控制。

所述连接头A3与左弯管102、中间直管101之间，连接头B4与右弯管103、中间直管101之间均采用螺纹旋合方式连接，使得左弯管102、右弯管103与中间直管101之间的连接操作更加方便，便于安装和拆卸，且在连接处套设有环状的橡胶密封圈6，橡胶密封圈6的设置，对左弯管102、右弯管103与中间直管101的连接处起到了密封的作用，避免流体沿着连接处流进中间直管101内，影响了流量检测操作，从而有效保证了该流量计计量结果的准确可靠。

所述中间直管101的外侧设置有水通管路7，且所述水通管路7的左端连接有进水管8，所述进水管8左端设置有滤网9，滤网9的设置，对进入水通管路7内的流体起到了过滤的作用，避免了流体中含有的杂质进入该流量计内，造成流量计堵塞的同时，使得流量计检测的结果不准确。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于工程力学的流量计，其特征在于：包括流量检测装置(1)和数据采集系统(2)，所述数据采集系统(2)一端与流量检测装置(1)连接，所述流量检测装置(1)包括中间直管(101)、左弯管(102)、右弯管(103)、超声换能器A(104)和超声换能器B(105)，所述左弯管(102)和右弯管(103)分别设置在中间直管(101)的左右两端，且在左弯管(102)与中间直管(101)左端的连接处设置有连接头A(3)，所述右弯管(103)与中间直管(101)右端的连接处设置有连接头B(4)，所述超声换能器A(104)和超声换能器B(105)分别设置在连接头A(3)、连接头B(4)的外侧，且超声换能器A(104)和超声换能器B(105)设置在同一水平线上。

2.根据权利要求1所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括A/D芯片(201)和ARM处理器(202)，所述ARM处理器(202)一端与A/D芯片(201)连接，另一端依次通过D/A转换电路(203)、驱动电路(204)与超声换能器A(104)连接，所述超声换能器B(105)一端通过放大电路(205)与A/D芯片(201)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述放大电路(205)与超声换能器B(105)之间设置有有源带通滤波电路(5)。

4.根据权利要求3所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述有源带通滤波电路(5)包括低通电路和高通电路，所述低通电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2和运算放大器U1，所述电阻R1的一端与放大电路(205)的输出端连接，另一端分别与电阻R2、电阻R3和电容C2连接，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端与运算放大器U1的正输入端连接，并经电容C1接地，电容C2的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的负输入端经电阻R5与运算放大器U1的输出端连接，并经电阻R4接地；

所述高通电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C3、电容C4和运算放大器U2，电容C3的一端与运算放大器U1的输出端连接，另一端接电容C4的一端，并与运算放大器U2的输出端连接，电容C4的另一端与运算放大器U2的正输入端连接，并经电阻R6接地，运算放大器U2的负输入端经电阻R7和电阻R8与运算放大器U1的输出端连接，电阻R7和电阻R8的连接点经电阻R9接地，运算放大器U2的输出端与超声换能器B(105)连接。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述放大电路(205)采用自动增益控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述连接头A(3)与左弯管(102)、中间直管(101)之间，连接头B(4)与右弯管(103)、中间直管(101)之间均采用螺纹旋合方式连接，且在连接处套设有环状的橡胶密封圈(6)。

7.根据权利要求2所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述ARM处理器(202)采用的是ARM7微处理器LPC2138。

8.根据权利要求2所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述A/D芯片(201)采用的是12位流水线结构的ADC12DL040芯片，且A/D芯片(201)的内部有采样保持电路和基准电压源。

9.根据权利要求1所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述中间直管(101)的外侧设置有水通管路(7)，且所述水通管路(7)的左端连接有进水管(8)，所述进水管(8)左端设置有滤网(9)。

10.根据权利要求1所述的一种基于工程力学的流量计，其特征在于：所述左弯管(102)与中间直管(101)、右弯管(103)与中间直管(101)均呈135°安装。