CN209745322U - 流体多参数测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流体多参数测量仪，包括四个超声波换能器、温度传感器、信号处理电路、超声波能量驱动电路、声道切换电路和通道切换电路；所述超声波换能器具有超声波发射器和超声波接收器，各超声波换能器分别与信号处理电路电连接；四个超声波换能器两两相对设置在被测介质的容器上，且相对设置的两个超声波换能器形成一声道；所述温度传感器与信号处理电路电连接；超声波能量驱动电路分别与信号处理电路和声道切换电路电连接；所述声道切换电路分别与各超声波换能器和信号处理电路电连接；所述通道切换电路分别与各超声波换能器和信号处理电路电连接。本实用新型能够同时测量流体体积、密度和质量流量。

Description

流体多参数测量仪

技术领域

本实用新型属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种流体多参数测量仪。

背景技术

流体的基本参数包括流体的温度、流量和密度等，对这些参数的测量不仅仅存在于流体力学中，还出现在工厂、科研单位和检验部门。对于流体的每个参数而言，都有一些对应的测量方法。传统的仪器设备中，通常使用热电偶、热电阻和红外测温仪等来测量温度，使用浮子式、振动式和光学式等密度计来测量密度，流量则通过差压式流量计等测量仪器来测量。这些测量方法普遍存在测量精度不高的缺点。随着测量环境、测量条件、测量要求的不断提高，现有的测量方式已经不能满足实际的生产需要。为了适应日益复杂的现代工业生产，满足对许多参数高精度测量的要求，超声波检测技术得到了发展。超声波技术是近些年发展起来的一种新型测量技术，因其低功耗、高精度和宽量程等优势被广泛应用于测量领域，广泛的应用促使各种超声波产品，如超声波温度计、超声波密度计和超声波流量计等出现在市场中，极大地推动了测量技术的发展。然而，在自动化水平不断发展的今天，人们已经不仅仅局限于超声波测量仪对单一参数的测试，还希望仪表能够同时测量众多的参数，流体参数的检测方向已经开始从单参数到多参数发展。纵观国内外，鲜有用超声波技术测量多参数的研究报告。

因此，有必要开发一种流体多参数测量仪。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种流体多参数测量仪，能同时测量流体体积、密度和质量流量。

本实用新型所述的流体多参数测量仪，包括四个超声波换能器、温度传感器、信号处理电路、超声波能量驱动电路、声道切换电路和通道切换电路；

所述超声波换能器具有超声波发射器和超声波接收器，各超声波换能器分别与信号处理电路电连接；四个超声波换能器两两相对设置在被测介质的容器上，且相对设置的两个超声波换能器形成一声道；每一声道的两个超声波换能器分别沿被测介质的流动方向间隔设置，且每一声道具有顺流模式和逆流模式；所述顺流模式为上游的超声波换能器用于发射超声波，下游的超声波换能器用于接收回波信号；所述逆流模式为下游的超声波换能器用于发射超声波，上游的超声波换能器用于接收回波信号；

所述温度传感器用于采集被测介质的温度，该温度传感器与信号处理电路电连接；

所述超声波能量驱动电路用于驱动各超声波换能器发射超声波，该超声波能量驱动电路分别与信号处理电路和声道切换电路电连接；

所述声道切换电路用于声道的切换，该声道切换电路分别与各超声波换能器和信号处理电路电连接；

所述通道切换电路用于声道的顺流模式和逆流模式的切换，该通道切换电路分别与各超声波换能器和信号处理电路电连接。

进一步，所述信号处理电路包括滤波电路、信号放大电路、模数转换器、现场可编程门列阵和中央处理单元；

所述滤波电路分别与信号放大电路、温度传感器以及各超声波换能器电连接；

所述信号放大电路与模数转换器电连接；

所述模数转换器与现场可编程门列阵电连接；

所述现场可编程门列阵与中央处理单元电连接。

进一步，所述超声波能量驱动电路包括功率放大电路和数模转换器；

所述功率放大电路分别与数模转换器和声道切换电路电连接；

进一步，还包括显示模块，该显示模块与中央处理单元电连接。

进一步，还包括键盘，该键盘与中央处理单元电连接。

进一步，还包括RS-485接口，该RS-485接口与中央处理单元电连接。

本实用新型具有以下优点：

采用非接触式多声道测量头安装方式，降低了被测介质对材质的要求。测量仪采用分时工作方式多信号输出，避免了多声道同时工作时各信号相互干扰的情况，减少了工作的难度。将被测对象作为超声波传播的介质，将温度传感器直接浸入被测流体中，流体的温度值能够直接读出，并参与到流体测量参数的计算。采用高分辨率的模数转换器和高速的现场可编程门列阵采集，保证了超声波传输时间的精密测量，提高了不同测量参数的精度。

附图说明

图1为本实用新型中超声波换能器的安装结构示意图；

图2为本实用新型中多声道传感器声道布置示意图；

图3为本实用新型中的原理框图；

图4为本实用新型中现场可编程门列阵的结构框图；

图5为本实用新型中超声波传播时间示意图；

其中：1、温度传感器，2、滤波电路，3、信号放大电路，4、模数转换器，5、信号处理电路，6、中央处理单元，7、超声波能量驱动电路，8、功率放大器，9、数模转换器， 10、超声波换能器，11、声道切换电路，12、通道切换电路，13、现场可编程门列阵，14、键盘，15、显示模块，16、RS-485接口。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的具体实现方式进一步说明：

如图3所示，一种流体多参数测量仪，包括四个超声波换能器10、温度传感器1、信号处理电路5、超声波能量驱动电路7、声道切换电路11和通道切换电路12。所述超声波换能器10具有超声波发射器和超声波接收器，各超声波换能器10分别与信号处理电路5 电连接；四个超声波换能器10两两相对设置在被测介质的容器上，且相对设置的两个超声波换能器10形成一声道；每一声道的两个超声波换能器10分别沿被测介质的流动方向间隔设置，且每一声道具有顺流模式和逆流模式；所述顺流模式为上游的超声波换能器10用于发射超声波，下游的超声波换能器10用于接收回波信号；所述逆流模式为下游的超声波换能器10用于发射超声波，上游的超声波换能器10用于接收回波信号。所述温度传感器1 用于采集被测介质的温度，该温度传感器1与信号处理电路5电连接。所述超声波能量驱动电路7用于驱动各超声波换能器10发射超声波，该超声波能量驱动电路7分别与信号处理电路5和声道切换电路11电连接。所述声道切换电路11用于声道的切换，该声道切换电路11分别与各超声波换能器10和信号处理电路5电连接。所述通道切换电路12用于声道的顺流模式和逆流模式的切换，该通道切换电路12分别与各超声波换能器10和信号处理电路5电连接。

如图3所示，本实施例中，所述超声波能量驱动电路7包括数模转换器9和功率放大电路8，所述功率放大电路8分别与数模转换器9和声道切换电路11电连接；所述数模转换器9 与现场可编程门列阵13电连接。数模转换器9用于把现场可编程门列阵13发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路8用于放大该正弦信号的功率，驱动超声波换能器10 发出超声波信号。经数模转换器9转换后的模拟信号相对较小，不足以驱动发射换能器工作，而功率信号放大电路3则用来放大该模拟信号，以保证超声波换能器10正常工作。

如图3所示，本实施例中，所述信号处理电路5包括滤波电路2、信号放大电路3、模数转换器4、现场可编程门列阵13和中央处理单元6；所述滤波电路2分别与信号放大电路3、温度传感器1以及各超声波换能器10电连接；所述信号放大电路3与模数转换器 4电连接；所述模数转换器4与现场可编程门列阵13电连接；所述现场可编程门列阵13 与中央处理单元6电连接。所述滤波电路2用于去除振动、流动脉动、电子干扰等因素引起回波信号出现的噪声信号的影响，提高有用信号的信噪比。所述模数转换器4与信号放大电路3电连接，用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号并对回波信号进行高速采样，存入现场可编程门阵列内部构造的RAM中。中央处理单元6向现场可编程门列阵13发送两组控制信号，一方面产生用于驱动超声波换能器10的激励信号，该数字形式的激励信号经过数模转换为模拟信号，在超声波能量驱动电路7进行功率放大后具有一定能量，通过压电陶瓷后产生与电信号频率一致的机械振动，发射超声波信号。另一方面产生控制信号，实现声道选定功能，实现超声波在不同声道内的传播。所述现场可编程门阵列在采样输出的正弦波驱动信号的同时发送命令给同步采样电路，控制模数转换器4进行高分辨率数据采集；并将采样信号存储现场可编程门列阵13指定的RAM中。采样结束后，向中央处理单元6发出采样结束状态信息。中央处理单元6接收到采样结束状态信息后，发出读数据命令，读取暂存RAM数据缓冲区中的数据，中央处理单元6根据超声波在每一声道的顺、逆流传输时间得到被测介质的体积流量值，利用超声波顺逆流传播时间的数学关系计算出超声波在流体中静止时中的速度，通过分析该速度与流体密度之间的关系得到流体的密度值。与其相关的温度由浸入待测流体中的温度传感器1直接测得，同时送到显示模块15中进行显示，并参与流体标准密度的计算。最后利用体积流量与密度的乘积求出流体的质量流量。

如图1所示，本实施例中，将管道作为检测通道，将超声波换能器A和超声波换能器B 分别安装在管道外的两侧，超声波从超声波换能器A传播到超声波换能器B为顺流过程，传播时间为t₁，超声波从超声波换能器B传播到超声波换能器A为逆流过程，传播时间为t₂。设超声波的静水速度为c，流体流速为v，超声波换能器A与超声波换能器B之间的距离为L，流体流动方向与声道之间的夹角为θ，则有：

(1)体积流量测量

超声波顺逆流传播时间差Δt为：

超声波顺逆流传播时间积t₁×t₂为：

流速v的表达式为：

因此，体积流量q_v的表达式如下：

(2)超声波密度测量

密度不同，超声波传播速度不同，超声波传播速度与流体密度的关系式如下：

上中，k表示压缩系数。通过查找表可以获得不同介质的压缩因子。

超声波顺流、逆流传播时间之和为：

因此，超声波静止流体中的传播速度为：

结合公式(7)，可以获得流体密度的计算公式为：

(3)质量流量测量

超声波的质量流量q_m可通过体积流量q_v与密度值ρ相乘得到，计算结果如下：

q_m＝ρ·q_v。

本实施例中，声道有两个，由于流体在管道中传输时的流速分布并不均匀，单个声道所测的流速不能充分反映出管道内的流体流速，两声道设计能够有效地消除流速分布不均匀产生的影响，能够提高测量仪的精度和稳定性，并保证在其中一个声道损坏的情况下测量仪仍能正常工作。每个声道都配备一对超声波换能器10，每个超声波换能器10都能发射和接收超声波，因此每个声道都可以执行整个发送和接收过程。超声波换能器10的布置方式有：平行布置方式(参见图2中的(b))、交叉布置方式(参见图2中的(a)和网络布置方式。

本实施例中，将温度传感器1安装在管道的流体中，用于实时测量流体的温度值，该温度值用于参与待测流体流量、密度的计算与补偿。

本实施例中，如图3所示，所述的流体多参数测量仪中，还包括与中央处理单元6电连接的显示模块15，该显示模块15与中央处理单元6电连接。显示模块15用于显示温度传感器 1所检测的温度值，显示模块15还用于显示流体瞬时流量、净累积流量、温度值、密度值和实时时钟等，并显示历史数据及参数菜单。

本实施例中，如图3所示，所述的流体多参数测量仪中，还包括与中央处理单元6电连接的按键，该按键用于查看菜单项和修改仪表参数。

本实施例中，如图3所示，所述的流体多参数测量仪中，还包括与中央处理单元6电连接的RS-485接口16。

本实施例中，由于流体多参数测量仪具有多组信号输出，为了避免声道同时工作时多个换能器发射的超声波波信号互相干扰，提高测量结果的准确性，采用分时工作方式，即每一个时间只有一个声道在工作，并且一个超声波换能器10工作在发射状态，另一个超声波换能器10工作在接收状态。采用分时方式时，流量计硬件电路只需要一个超声波换能器 10驱动电路和信号处理电路5，既能够降低流量计成本，同时也能够减小流量计尺寸。

以下以四个超声波换能器10以平行布置的方式为例，对所述的流体多参数测量仪的工作流程进行详细的说明：

超声波换能器A1和超声波换能器B1组成声道1，超声波换能器A2和超声波换能器B2组成声道2。声道1的顺流模式为超声波换能器A1为发射换能器和超声波换能器B1为接收换能器，声道1的逆流模式为超声波换能器B1为发射换能器和超声波换能器A1为接收换能器。声道2的顺流模式为超声波换能器A2为发射换能器和超声波换能器B2为接收换能器，声道1的逆流模式为超声波换能器B2为发射换能器和超声波换能器A2为接收换能器。

首先，进行声道的选择，随后进行通道模式切换，正弦驱动信号依次驱动各个声道内的发射换能器发射超声波，产生的正弦驱动信号经过传播被相对应的接收换能器接收，并将接收到的超声波信号转换为电信号。由于此电信号幅值很小，故将收到的电信号经过滤波电路2、信号放大电路3调整到合适的信号幅值后再送到模数转换器4，由模数转换器4转换为数字信号输入给现场可编程门列阵13，再由现场可编程门列阵13发送给中央处理单元 6，即把测量到的顺流传播时间传递给中央处理单元6，然后中央处理单元6控制声道1和声道2切换到逆流传播，依次测量逆流传播的两个声道，分别测得逆流传播时间。然后根据超声波换能器10结构和安装位置计算每个声道的顺逆流传播时间差，对所有的时间差进行加权积分，最后得到流体流速进而可以求得流体流量值、密度值。

如图4所示，本实施例中，当中央处理单元6发出开始采集命令后，现场可编程门列阵 13中的同步电路控制正弦信号发生器和数据采样电路，数字正弦信号发生器发送频率1MHz的8个正弦波，经过数模转换器9转换为模拟量，这一模拟量被功率放大电路8进行电压电流功率放大，现场可编程门列阵13确定传播声道，并将通道切换到顺流传播方式，驱动信号驱动超声波换能器A1发射超声波信号，超声波换能器B1接收到超声波信号后再将此转换为电信号，输出的电信号经过滤波电路2滤波后，经过信号放大电路3放大后连接到模数转换器4。现场可编程门列阵13内部的数据采样电路控制模数转换器4将模拟信号转换为数字信号，并把采样值逐一存入构建于现场可编程门列阵13内的RAM中，采样完成后，现场可编程门列阵13向中央处理单元6发送采样结束状态信息，中央处理单元6接收到采样结束状态信息后，结束一次采样。随后切换通道为逆流模式，并记录超声波传播时间。

采样结束后，中央处理单元6首先根据现场可编程门列阵13内的数字信号发生器的数据，精确确定超声波信号中起点所对应的时刻t_QD，然后中央处理单元6发出读数据指令读取暂存于RAM中的数据，精确计算超声波传播时间终点所对应的时刻。

如图5所示，发射换能器产生超声波的数字正弦信号，图中的V代表信号的电压，t代表时间。该信号的频率为1MHz，电压约10V，电流约1.5A，具有约15瓦的电能，足以驱动发射换能器将电能转换为机械能，发出超声波信号。超声波信号经过介质传播后的回波信号被接收换能器接收。回波信号的幅值呈现先逐渐增大后逐渐减小的规律。这是因为随着超声波信号的不断到达，能量逐渐累加，回波信号的幅值越来越大，直到达到峰值。随着驱动信号的终止，发射换能器由于机械惯性还可以继续发射超声波信号，所以回波信号的幅值慢慢减小直至为零。幅值最大的那个波对应于超声波信号的最后一个波。回波信号的频率取决于超声波信号的频率，也是1MHz。

由于发射超声波信号是由中央处理单元6控制，则传输时间的起点可由系统确定，通过确定超声波传播时间的终点便可确定超声波传输时间。本实用新型的超声波传输时间的终点所对应的时刻的计算方法是：如图5所示，设A/D的采样频率为f_A/D，A/D的位数为R_A/D，超声波的输入频率为f_u，数据采样电路接收到采样命令后开始计数，若将采集的第一个采样点计为1，从第一个点到采样点P₁的采样数为K，采样点P₁、P₂采样值分别为V₁和V₂，所对应的时刻分别为t₁′和t₂′，所处的时刻即为所求终点时刻，且采样点P₀、P₁之间的时间间隔为t₂′单个A/D采样周期T_A/D内的采样点数为N_A/D，则满足：

N_A/D＝f_A/D/f_u；

T_A/D＝1/f_A/D；

采样点P₁所对应的时间为：

超声波的起点时刻可由FPGA控制，起点时刻到开始接收超声波信号的时间间隔用t₀表示，特征点P₀所对应的时间为终点时刻，用t_end表示，则有：

t_end＝t₀+t₁′+t₂′；

时间t₂′由软件细分插补算法求得，即：

若超声波的起点时刻用t_start表示，则超声波的传播时间t_u为：

超声波传输终点所对应时刻的分辨率R为：

如图5所示，假设超声波回波信号的频率为1MHz，则周期为1us，则周期为1us；A/D的分辨率是12位，那么可以将信号的幅值分为4096份，设A/D的采样频率为32MHz，则在正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内，可以最多采16个点，如果把正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形看作是直线，则显然可知：

观察正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形可以看出，过零点附近曲线的斜率远大于峰值附近曲线的斜率，则有：

由于超声波传播时间的起点可以精确确定，则超声波传输时间测量的分辨率取决于超声波传输时间终点所对应时刻的分辨率，故超声波传输时间测量的分辨率小于0.122纳秒。安装在圆柱型容器上两对相互对应的超声波换能器10的距离均是固定的，测得两对超声波的传播时间便可得到相应的参数值。

Claims (6)

1.一种流体多参数测量仪，其特征在于：包括四个超声波换能器（10）、温度传感器（1）、信号处理电路（5）、超声波能量驱动电路（7）、声道切换电路（11）和通道切换电路（12）；

所述超声波换能器（10）具有超声波发射器和超声波接收器，各超声波换能器（10）分别与信号处理电路（5）电连接；四个超声波换能器（10）两两相对设置在被测介质的容器上，且相对设置的两个超声波换能器（10）形成一声道；每一声道的两个超声波换能器（10）分别沿被测介质的流动方向间隔设置，且每一声道具有顺流模式和逆流模式；所述顺流模式为上游的超声波换能器（10）用于发射超声波，下游的超声波换能器（10）用于接收回波信号；所述逆流模式为下游的超声波换能器（10）用于发射超声波，上游的超声波换能器（10）用于接收回波信号；

所述温度传感器（1）用于采集被测介质的温度，该温度传感器（1）与信号处理电路（5）电连接；

所述超声波能量驱动电路（7）用于驱动各超声波换能器（10）发射超声波，该超声波能量驱动电路（7）分别与信号处理电路（5）和声道切换电路（11）电连接；

所述声道切换电路（11）用于声道的切换，该声道切换电路（11）分别与各超声波换能器（10）和信号处理电路（5）电连接；

所述通道切换电路（12）用于声道的顺流模式和逆流模式的切换，该通道切换电路（12）分别与各超声波换能器（10）和信号处理电路（5）电连接。

2.根据权利要求1所述的流体多参数测量仪，其特征在于：所述信号处理电路（5）包括滤波电路（2）、信号放大电路（3）、模数转换器（4）、现场可编程门列阵（13）和中央处理单元（6）；

所述滤波电路（2）分别与信号放大电路（3）、温度传感器（1）以及各超声波换能器（10）电连接；

所述信号放大电路（3）与模数转换器（4）电连接；

所述模数转换器（4）与现场可编程门列阵（13）电连接；

所述现场可编程门列阵（13）与中央处理单元（6）电连接。

3.根据权利要求2所述的流体多参数测量仪，其特征在于：所述超声波能量驱动电路（7）包括功率放大电路（8）和数模转换器（9）；

所述功率放大电路（8）分别与数模转换器（9）和声道切换电路（11）电连接；

所述数模转换器（9）与现场可编程门列阵（13）电连接。

4.根据权利要求2或3所述的流体多参数测量仪，其特征在于：还包括显示模块（15），该显示模块（15）与中央处理单元（6）电连接。

5.根据权利要求4所述的流体多参数测量仪，其特征在于：还包括键盘（14），该键盘（14）与中央处理单元（6）电连接。

6.根据权利要求2或3或5所述的流体多参数测量仪，其特征在于：还包括RS-485接口（16），该RS-485接口（16）与中央处理单元（6）电连接。