CN85205330U

CN85205330U - 插入式超声流量计

Info

Publication number: CN85205330U
Application number: CN 85205330
Authority: CN
Inventors: 韩健康
Original assignee: AUTOMATION INST WUHAN CITY
Current assignee: AUTOMATION INST WUHAN CITY
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1985-12-09
Publication date: 1987-01-14

Abstract

插入式超声流量计，它属于用超声波测量液体流量的非接触式流量仪。主要由传感器、发送器、接收器、收发转换电路、微处理器和接口电路组成。以微处理器实现多参比环频时差法数学模型，解决了现有超声流量计误差大和稳定性差的问题。传感器插入被测管道内，可长期不用维修。可自动显示并打印瞬时和累计流量值、自动进行温度补偿和自动修正流量折合系数。它可测量低温、腐蚀性或有颗粒杂质的液体，用于工业中的各种液体的流量计量。

Description

本实用新型为一种用超声波测量液体流量的非接触式流量仪。

现有的超声流量计都采用发送器、接收器和设在所测液体流程二端的两只传感器来收发超声波，并通过收发转换电路交替变换超声波传播的方向，通过测取液体流速造成的超声波顺液体流动方向和逆液体流动方向传播的速度差来测取流速，从而测取流量。对这个微小的、可变换为时间差或频率差的速度差，现有技术均采用锁相技术来倍频以提高测量精度。用于频差的称为PLL（相位锁相环）方式，用于时差的称为TLL（时间锁相环）方式。其倍频原理图如图1所示，其中：〔u_i〕——输入信号；〔u₀〕——输出信号；〔1〕——缓冲器；〔2〕——鉴相器；〔3〕——低通滤波器；〔4〕——压控振荡器；〔5〕——分频器。由于收发换向造成的接收信号不连续，使得锁相系统经常处于失控状态，失控时间取决于收发换向的时间，至少有几十毫秒，失控时压控振荡器的频率远离额定频率，输出的误差较大。再加上失控到锁定的过渡过程，测量误差就相当大。同时，锁相电路较复杂，调整也困难。另外，现有技术在每次收发换向前，都连续循环收发一至十秒，在这样长时间的循环中，系统很难保证高的稳定性，也难免因偶然扰动造成大的误差。

本实用新型的任务是制造一种既有高的精度与稳定性，结构又简单的超声流量计。

上述任务是通过下列方案解决的。在原理上采用了多参比环频时差法。即，每次收发换向前，都由一个多参比触发脉冲信号控制收发系统，使其连续循环收发过程每进行数毫秒就出现一次间断，即短时停止。每二次间断之间的时间间隔相等，其间连续循环收发多次。而倍频原理图则如图2所示，其中：〔u_e〕——接收信号；〔φ〕——高频量化脉冲；〔1〕——双稳态触发器；〔2〕——N₀脉冲计数器；〔3〕——门电路。对接收到的顺液体流动方向传播（简称顺环）和逆液体流动方向传播（简称逆环）的超声波信号，由N₀计数器产生它们的等值脉冲N₀到达的时间差并用晶振产生的稳定的高频标准脉冲〔φ〕进行量化，然后根据量化脉冲数在微处理器中运算出代表频差的脉冲数N_i，从而获得稳定的高倍频结果。按多参比环频时差法建立的流量计算公式如下：

Q＝K（1＋τf₀）²f² ₀M N_i

其中：Q——流量；

K＝πD³／（4N₀Sin2θ）——常数；

D——被测管道直径；

N₀——等值计数脉冲；

θ——流向与超声波传播方向的夹角；

τ——超声波在非流体介质内传播的时间；

f₀＝（f₁＋f₂）／2——静态环频频率；

f₁——顺环频率；

f₂——逆环频率；

M——脉冲量化系数

N_i——单位时间内得到的脉冲数。

在结构上，本实用新型采用微处理器及接口电路统一控制发送器、接收器以及收发转换电路等各部分的工作，每隔一定时间先自动测量并运算出一次f₀值作为修正系数，然后根据每次得到的N_i，按上述公式算出瞬时流量值和累积流量值。具体的接口电路如图6所示，其中虚线框内部分即为倍频电路，信号〔φ〕、〔T₀〕、〔T₁〕、〔T₂〕、〔 PS5〕和〔 RESET〕均由微处理器产生，其余信号由接口电路产生，可逆计数器的16位二进制输出端接至微处理器的PIO上，信号〔 Q₄ 〕和〔Q₄〕送至收发转换电路。各有关信号的波形图如图7所示。为了得出f₀，首先要在二秒钟内分别测出f₁和f₂。此时信号〔T₁〕由4053门〔2〕的〔a〕端送至接收器，触发收发系统连续循环收发一秒钟，然后由通过4053门〔1〕的〔a〕端送出的信号〔Q₁〕控制收发转换电路换向，同时〔T₁〕又重新触发系统连续循环收发一秒钟。此二秒钟内，接收器来的接收信号由4053门〔3〕的〔a〕端送至可逆计数器的加法端，可逆计数器全做加法。二秒钟后，在信号〔

〕的控制下，信号通路全部改在各4053门的〔b〕端，系统进入正常的测量过程。信号〔T₀〕即为多参比触发脉冲信号。在信号〔Q₄〕和取数脉冲 STB的控制下，PIO将可逆计数器的运算结果锁存并向CPU发出中断请求，CPU按编好的程序进行数据处理并控制数码管显示器和打印机，显示瞬时脉冲数和打印流量值。由于微处理器具有可编程性，故可根据被测液体温度变化的快慢适当选择测取f₀的时间间隔，使得在精度允许的范围内无须专门的温度补偿电路。同时，还可自动修正流量折合系数。为了提高信号相位的稳定性，本实用新型的发送器中采用了晶体可控振荡电路，如图5所示，其中：〔1〕、〔2〕、〔3〕、〔4〕均为门电路，控制方波由〔A〕点输入，〔B〕点则输出振荡相位与控制方波前沿一致的高频脉冲，其中心频率由晶体〔JA5A〕的频率决定。此电路的结构和调整都很简单，效果良好。在收发转换电路中采用了二只舌簧继电器，每只继电器都只用常闭触点，其换向原理如图4所示，其中：〔A〕、〔B〕均为继电器；〔1〕、〔2〕均为传感器；〔3〕——发送器；〔4〕——接收器。这种切换方式可使换向前后的二路接收信号都不受继电器线圈强磁场的影响，避免了现有技术采用一只舌簧继电器的常开和常闭触点来切换收发信号而造成的换向前后的二路接收信号幅度的差别，保证了信号的一致性，从而减小了测量误差。

图3所示为一种具体实施例。其中，〔1〕——传感器，它由中心频率2.5兆赫的压电晶片和同轴电缆插座组成，插入被测管道内安装，采用三层机械式密封，一次安装成型后可长期不用维修。〔2〕——高频同轴电缆，其特性阻抗为50欧姆或75欧姆。〔3〕——收发转换电路，由二只舌簧继电器组成。〔4〕——发送器，由晶体可控振荡器、缓冲器、前置放大器和功率放大器共4级组成。其工作方式为方波调幅式，由于比方波脉冲发送器激励压电晶片效率要高，故可使用低压大功率高频管，可降低电源电压，从而功放级的直流电源可做到高精度稳压。这样有利于减少干扰，提高整机稳定性。发送器输出的高频振荡脉冲的中心频率为2.5兆赫，脉宽为10微秒，脉冲功率大于60瓦。〔5〕——接收器，由输入、三级中放、检波、视放、电平转换和控制电路共6级组成。为保证整机稳定性，每级的增益不能太高，故级数较多。为防止杂质和汽泡对信号的散射而造成的输入信号闪烁现象，设有自动增益控制电路，动态范围大于36分贝。接收器整机增益大于66分贝，灵敏度小于0.5毫伏，稳定性小于10毫微秒，带宽大于500千赫。〔6〕——接口电路。如前面所述。〔7〕——微处理器，采用TP801单板机。〔8〕——数码管显示器，利用单板机上的数码管。〔9〕——微型打印机。〔10〕——电源，＋12伏2组和＋5伏2组。

本实用新型由于采用微处理器实现新的数学模型，故可获得高的测量精度和稳定性，精度可达1.5级，可稳定地连续24小时工作。结构大为简化，提高了可靠性，调整和维修都很方便。它可用来测量低温、有腐蚀性或有颗粒杂质的液体，广泛适用于工业中的各种有机、无机液体的流量计量。

Claims

1、一种以传感器、发送器、接收器、微处理器及接口电路为主要部件的超声流量计，其特征是由微处理器产生触发脉冲信号[T·]来控制收发系统，使每连续循环收发数毫秒就暂停收发一次，由接口电路产生顺环和逆环接收信号的等值脉冲N。到达的时间差并通过高频标准脉冲信号[Φ]加以量化后得出Ni，由微处理器根据公式：Q=K(1+τf₀)²f₀ ²MNi算出流量值。

2、如权利要求1所述的超声流量计，其特征是每隔一定时间，微处理器及接口电路控制收发系统测算一次f₀，来修正流量值的计算。其测算f₀的时间间隔，可根据被测液体温度变化的快慢通过编程来改变。

3、如权利要求1或2所述的超声流量计，其特征是在发送器的晶体振荡回路中串入一个与非门，由它输入一个控制方波信号。

4、如权利要求1或2所述的超声流量计，其特征是收发转换电路采用二只继电器〔A〕、〔B〕。继电器〔A〕的一对常闭触点连通传感器〔1〕与接收器〔4〕，另一对常闭触点连通传感器〔2〕与发送器〔3〕。继电器〔B〕的一对常闭触点连通传感器〔1〕与发送器〔3〕，另一对常闭触点连通传感器〔2〕与接收器〔4〕。

5、如权利要求3所述的超声流量计，其特征是收发转换电路采用二只继电器〔A〕、〔B〕。继电器〔A〕的一对常闭触点连通传感器〔1〕与接收器〔4〕，另一对常闭触点连通传感器〔2〕与发送器〔3〕。继电器〔B〕的一对常闭触点连通传感器〔1〕与发送器〔3〕，另一对常闭触点连通传感器〔2〕与接收器〔4〕。