新型高可靠性超声波流量测量系统

曹晓华，杨印保，王海群

（河北联合大学，唐山 063009）

新型高可靠性超声波流量测量系统

曹晓华，杨印保，王海群

（河北联合大学，唐山 063009）

0 引言

目前国内的超声流量测量技术主要是靠进口,为了解决目前国内超声流量计在气体计量方面所存在的问题,缩小与国外的差距,经多次试验设计出一种全新的电路系统。还可以实现超声波的遥控、测距、防盗等检测功能。

1 超声波传感器检测流量的设计

图1为时差法测量管道气体流量的原理图。有两个超声换能器分别安装在管道的两外侧:A点和B点处,A与B的同轴线与管道的中心轴线成θ角。两传感器分时测量两次:首先换能器在A点处顺管道气体流动方向发射超声波串,用换能器在B点处接收,可以测得顺程时间tAB; 然后改用换能器在B点处沿气体流向的逆向再发射超声波串,用换能器在A点处接收,又可测得逆程时间tBA。 取二者之差(tBA-tAB) 可以表示被测气体流速或流量。以下推导流速、瞬时流量和累积流量的表达式。

图1 时差法测量流量原理图

1)流速方程式

在图1中,超声波顺气流方向从A点送到B点的静态顺程传播速度c被流体流速vm所加快,有:

反之,超声波从B点送到A点的逆程传播速度c会被流体流速vm所减缓,可表为:

联合式(1)和(2)式经过变换可得时差法流速方程式:

式中DN为管道内径;q为超声传播方向与管道轴向的夹角;C为超声在静止流体中传播速度;vm为管道内气体的平均流速。

2)流量方程式

时差法所测量和计算的气体流速是管道中气体的流速vm, 将之乘以管道横截面积就可以得到瞬时体积流量qv:

对瞬时体积流量进行长时间连续积分,可以得出累积流量V的表达式:

2 系统结构

全电子式流量计主要结构如图2所示,由传感器和电子电路组成。

图2 整机功能框图

1)检测器件:包括一对进行流量测量的超声传感器、一个进行气体密度补偿的超声传感器、一个进行气体温度补偿的温度传感器(热电阻)和一个进行气体压强补偿的压力传感器。

2)超声发射与接收电路图3、4所示。

图3 超声波的发射电路

图4 超声信号的接收电路

3)微处理器:采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F147。

4)通讯模块:一个485串行通讯口,一个4～20mA电流环输出接口,一个4～20mA电流环输入接口。

5)带I2C接口的掉电不丢失数据存贮器和时钟日历芯片。

6)一节3.6V锂电池供电的电子稳压系统。

3 系统功能

整机功能主要有:对管道气体的瞬时流量和累积流量进行精确的测量;通过四个按键进行管道参数、气体介质参数和仪表常数等参数的设置及修定;显示功能:包括瞬时流量、累积流量、时间日期、天然气密度、管道压力等21个参数的显示;气体介质、气体压力以及气体温度三种影响量的误差自补偿;掉电数据不丢失功能;报警功能;通讯功能:具备RS485通讯和4～20mA电流环两种通讯功能;单电池供电,一节电池可以使用8年以上。

4 结束语

该超声流量计是一种全新式的流量计,该系统具有高精度和高可靠性等优点,具有极高的实用意义,属国内领先水平。

[1]丁镇生.传感器及传感器技术应用 [M].北京:电子工业出版社, 1999.

[2]赵保经.中国集成电路大全之CMOS集成电路[M].北京:国防工业出版社, 1991.

[3]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1999.

New ultrasonic sensor system with high reliability

CAO Xiao-hua, YANG Yin-bao, WANG Hai-qun

介绍一种工业用大口径超声式气体管道流量测量系统的电路设计。该系统是一种带有微机的全电子式仪器，它克服了带有转子式的气体流量计固有的时漂误差，这种误差的主要来源在于管道中的油污或锈蚀造成了转子的丢转现象。该流量测量系统不仅适于各工厂中大口径管道的各种工业气体的流量测量，也适于西气东输等大型工程项目，具有广泛的应用前景。

超声波；自动增益控制；超低功耗

曹晓华(1972－),女,河北迁安人,讲师,硕士,研究方向为测控技术。

TP212

A

1009-0134(2011)1(上)-0018-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).05

2010-08-05