CN2310311Y

CN2310311Y - 连续超声波流量仪

Info

Publication number: CN2310311Y
Application number: CN 96233911
Authority: CN
Inventors: 苟阳明; 王斐; 苟晓彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 1999-03-10
Anticipated expiration: 2006-10-15

Abstract

本实用新型是一种单片微机控制的高精度、全量程连续超声波流量仪。它是由电源、模拟、数字及换能器组成。其特点是对连续超声波进行编码,通过它在流体中传输产生波参数变化获取流量信息。沿流体流动方向安置三支超声换能器,换能器发出的超声波,经过一段时间的传输分别被接收器所接收,由微机进行数据采集、处理和控制。它广泛用于石油、化工、环保、食品、医药及水电领域的高低温或高低压流体的流量测量。其数据不受流体温度和介质特性的影响。

Description

连续超声波流量仪

本实用新型是一种单片微机控制的高精度、全量程测量流体流量的超声波流量仪。

现有的超声波测量流体流量的方法有：时差法、相差法、频差法、波束位移法、多普勒法、流体切变测量法等。其共同特点是通过测量流速，来测量体积流量。时差法量程的上限不受限制，但不能测量低速流体的流量，且受温度变化的影响，测量灵敏度低。相差法量程的下限可以很低，但不能测量高速流体的流量，且受温度变化的影响。频差法基本上与声速无关，不受温度的影响，但不能测量低速流体的流量。多普勒法仅适用于多相流体流量的测量，流速与声速有关，且随温度变化，不能测量低速流体的流量，不适用于单相流体流量的测量。以上方法各有优缺点，在使用上受到限制。

本实用新型的目的在于提供一种高精度、全量程，不受流体温度影响的连续超声波流量仪。能适用于各种介质；能测量超低流速、超高流速流体的流量；能测量高温、高压、腐蚀性流体流量的一种超声波流量仪。

为达到上述目的，本实用新型采用了以下方案：沿流体流动方向安置三支超声换能器，换能器(11)发出的超声波，经过一段时间的传输分别被换能器(12)和(13)所接收。设换能器(12)接收信号相对于换能器(11)发射信号的相位为φ_A，换能器(13)接收信号相对于换能器(11)发射信号的相位为φ_B，则流速

U = K (\frac{1}{φ_{A}} - \frac{1}{φ_{B}})

。由于φ_A与逆向流速U相关，φ_B与顺向流速U相关，从而消去声速，克服了影响声速的温度、介质种类等因素对测量数据的影响。由于现代电子技术对波形参数测量精度很高，所以流速U测量量程的下限很低，分辨率(即灵敏度)很高，可达到1mm·s^-1以下。为扩展流量测量范围的上限，特对连续超声波进行编码，通过编码识别超声波在流体中传输产生波参数变化而获得的流量信息。以发射信号为标准信号，分别与上游接收换能器和下游接收换能器所接收信号进行相关分析，检出流量信息，使量程上限达到100m·s^-1以上。并以此克服流体温度或其它特性变化引起声速变化对测量数据的影响。

改变换能器的工作频率，就能适应各种流体，保证连续超声波能在该种流体中传输。对多泡流体和含颗粒尺寸较大的多相流体对连续超声波的信号衰减，采用大环路、高dB值、不失真自动增益控制电路，克服了信号衰减的影响。

本实用新型提供的连续超声波流量仪，是由电源稳压板(1)(8)、电源变压器(2)(7)、模拟板(3)(4)、数字板(5)(6)、键盘显示板(9)(10)及换能器(11)(12)(13)组成。超声换能器的安装沿流速方向，呈“V”字型安装[(图2-(14)]、或呈“X”字型安装[(图2-(15)]、或呈“一”字型安装[图2-(16)]。换能器的工作频率可根据介质的性质选择下列频率：20KHz、40KHz、60KHz、100KHz、250KHz、300KHz、500KHz和1MHz。换能器的并联调谐电路为串联RL电路。

本超声波流量仪是采用双电源变压器(2)、(7)和双电源稳压电路(1)、(8)，即数字部分和模拟部分分别由不同电源供电。模拟部分(3)(4)与数字部分(5)(6)完全隔离，由光耦合器进行信号耦合。采用8253进行F/D变换，采用74LS74组成四分频电路扩展变换范围；采用74LS157进行信号选择，实现8253的通道复用。采用MCS-51单片微机进行数据采集、处理和控制，且有并联输出打印口，可与热敏微型打印机或其它微型打印机接口。采用LED显示器(或LCD显示器)显示结果。

与现有超声波流量仪相比，本实用新型具有下述特点：(1)精度高、全量程、不受流体温度影响；(2)适用于各种介质：液体、气体；单相、多相；水性、油性以及高粘度流体流量的测量。但它不适用于不能传播连续超声波的流体；(3)能测量超低流速或超高流速流体的流量；(4)能测量多种相态流体、含大尺寸颗粒或高粒度流体的流量：(5)能测量高温、高压、腐蚀性流体的流量：(6)流量传感器的寿命长。

附图说明如下：

图1．本装置结构安装示意图。(1)模拟电源稳压板，(2)模拟电源变压器，(3)发射信号板，(4)接收信号板，(5)F/D变换板，(6)单片微机板，(7)数字电源变压器，(8)数字电源稳压板，(9)键盘，(10)显示器，(11)发射换能器，(12)上游接收换能器。(13)下游接收换能器。

图2．换能器(11)(12)(13)的几种安装方式示意图。(14)三换能器示意图，适用于一般流体；(15)四换能器示意图，适用于瞬变、多态流体；(16)小管径示意图，适用于直径小于25mm的管径。

图3．超声波发射信号板(3)的电原理图。 —时钟振荡器，由74LS04和晶振构成。产生的时钟信号经整形后送 —编码器，由74LS265,161等构成。MCS-51,CPU产生的编码信号在编码器中对

输出信号编码，然后送 —自动增益控制电路，由5534构成，其控制信号来自接收板。

—带通滤波器，由592构成。

—输出功放电路，由5534构成，其输出信号驱动发射换能器发射超声波。

图4．超声波接收信号板(4)的电原理图。接收换能器(12)输出信号经D1、D2组成的防阻塞电路后，进入

—由5534组成的低噪声前置放大器后，进入

—由592构成的带通滤波器滤除干扰信号后，一路经D₃构成的检波电路和

—由356构成的减法电路去控制发射放大器的增益，另一路输入 —解码译码器，其输出信号经 —由OP-07构成的直流放大器放大后，送由331构成的V/F变换电路，进行电压/频率变换，最后经

—光耦隔离电路送F/D变换板。接收换能器(13)输出信号变换与接收换能器(12)输出信号变换顺序相同。

下面简要说明该仪器的测量操作过程：

·将流量传感器短节串接在待测流体管道中，要求上游直管段长度大于10倍短节长度，下游直管段长度大于5倍短节长度。

·从仪器面板键盘输入传感器短节内径、待测流体的粘滞系数、流量累积时间间隔。

·按测量键，数秒种后，显示器即显示其瞬时流量值。

·若按流速键，则显示流速值；按累计流量键显示累计流量值。

该仪器在《水泥凝结过程实验装置》中使用的主要参数指标如下：

·流速范围：1cm·s^-1～20m·s^-1

·流速分辨率：3mm·s^-1

·误差：±0.1％

·工作频率：250KHz

·流道直径：10mm(无直管段)

·流体特性：腐蚀液、含少量气泡

·流体环境条件：压力、20MPa：

温度、60℃。

Claims

1．一种连续超声波流量仪，是由电源稳压板(1)(8)、电源变压器(2)(7)、模拟板(3)(4)、数字板(5)(6)、键盘显示板(9)(10)及换能器(11)(12)(13)组成，其特征在于，沿流体流动方向安置三支超声波换能器，换能器(11)发出的超声波，经过一段时间的传输分别被接收器(12)、(13)所接收，两接收器的信号分别由各自的模拟信号处理电路和数字变换电路处理后送MCS-51单片微机进行相关分析，检出流量信息，计算流量参数。

2．根据权利要求1所述的连续超声波流量仪，其特征在于，换能器(11)、(12)、(13)的安装沿流速方向，呈“V”字型安装，或呈“X”字型安装，或呈“一”字型安装(见图2)，换能器的并联调谐电路为串联的RL电路。

3．根据权利要求1所述的流量仪，其特征在于，采用大环路、高dB值、不失真自动增益控制电路控制超声发射换能器的激励电压，采用无相移自动增益控制电路控制接收信号电压，以克服由于介质声特征的波动引起的信号波动所产生的检出误差。