新型高可靠性超聲波流量測量系統

曹曉華，楊印保，王海群

（河北聯合大學，唐山 063009）

新型高可靠性超聲波流量測量系統

曹曉華，楊印保，王海群

（河北聯合大學，唐山 063009）

0 引言

目前國內的超聲流量測量技術主要是靠進口,為了解決目前國內超聲流量計在氣體計量方面所存在的問題,縮小與國外的差距,經多次試驗設計出一種全新的電路系統。還可以實現超聲波的遙控、測距、防盜等檢測功能。

1 超聲波傳感器檢測流量的設計

圖1為時差法測量管道氣體流量的原理圖。有兩個超聲換能器分別安裝在管道的兩外側:A點和B點處,A與B的同軸線與管道的中心軸線成θ角。兩傳感器分時測量兩次:首先換能器在A點處順管道氣體流動方向發射超聲波串,用換能器在B點處接收,可以測得順程時間tAB; 然后改用換能器在B點處沿氣體流向的逆向再發射超聲波串,用換能器在A點處接收,又可測得逆程時間tBA。 取二者之差(tBA-tAB) 可以表示被測氣體流速或流量。以下推導流速、瞬時流量和累積流量的表達式。

圖1 時差法測量流量原理圖

1)流速方程式

在圖1中,超聲波順氣流方向從A點送到B點的靜態順程傳播速度c被流體流速vm所加快,有:

反之,超聲波從B點送到A點的逆程傳播速度c會被流體流速vm所減緩,可表為:

聯合式(1)和(2)式經過變換可得時差法流速方程式:

式中DN為管道內徑;q為超聲傳播方向與管道軸向的夾角;C為超聲在靜止流體中傳播速度;vm為管道內氣體的平均流速。

2)流量方程式

時差法所測量和計算的氣體流速是管道中氣體的流速vm, 將之乘以管道橫截面積就可以得到瞬時體積流量qv:

對瞬時體積流量進行長時間連續積分,可以得出累積流量V的表達式:

2 系統結構

全電子式流量計主要結構如圖2所示,由傳感器和電子電路組成。

圖2 整機功能框圖

1)檢測器件:包括一對進行流量測量的超聲傳感器、一個進行氣體密度補償的超聲傳感器、一個進行氣體溫度補償的溫度傳感器(熱電阻)和一個進行氣體壓強補償的壓力傳感器。

2)超聲發射與接收電路圖3、4所示。

圖3 超聲波的發射電路

圖4 超聲信號的接收電路

3)微處理器:采用TI公司的超低功耗單片機MSP430F147。

4)通訊模塊:一個485串行通訊口,一個4～20mA電流環輸出接口,一個4～20mA電流環輸入接口。

5)帶I2C接口的掉電不丟失數據存貯器和時鐘日歷芯片。

6)一節3.6V鋰電池供電的電子穩壓系統。

3 系統功能

整機功能主要有:對管道氣體的瞬時流量和累積流量進行精確的測量;通過四個按鍵進行管道參數、氣體介質參數和儀表常數等參數的設置及修定;顯示功能:包括瞬時流量、累積流量、時間日期、天然氣密度、管道壓力等21個參數的顯示;氣體介質、氣體壓力以及氣體溫度三種影響量的誤差自補償;掉電數據不丟失功能;報警功能;通訊功能:具備RS485通訊和4～20mA電流環兩種通訊功能;單電池供電,一節電池可以使用8年以上。

4 結束語

該超聲流量計是一種全新式的流量計,該系統具有高精度和高可靠性等優點,具有極高的實用意義,屬國內領先水平。

[1]丁鎮生.傳感器及傳感器技術應用 [M].北京:電子工業出版社, 1999.

[2]趙保經.中國集成電路大全之CMOS集成電路[M].北京:國防工業出版社, 1991.

[3]何立民.單片機應用技術選編[M].北京:北京航空航天大學出版社, 1999.

New ultrasonic sensor system with high reliability

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

介紹一種工業用大口徑超聲式氣體管道流量測量系統的電路設計。該系統是一種帶有微機的全電子式儀器，它克服了帶有轉子式的氣體流量計固有的時漂誤差，這種誤差的主要來源在于管道中的油污或銹蝕造成了轉子的丟轉現象。該流量測量系統不僅適于各工廠中大口徑管道的各種工業氣體的流量測量，也適于西氣東輸等大型工程項目，具有廣泛的應用前景。

超聲波；自動增益控制；超低功耗

曹曉華(1972－),女,河北遷安人,講師,碩士,研究方向為測控技術。

TP212

A

1009-0134(2011)1(上)-0018-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).05

2010-08-05