便攜式管道流體流速自動檢測裝置的設計

項亞南

(江蘇信息職業技術學院機電研究所，江蘇 無錫　214153)

便攜式管道流體流速自動檢測裝置的設計

項亞南

(江蘇信息職業技術學院機電研究所，江蘇 無錫214153)

摘要：工業過程需要檢測不同管路中流體流速的大小。針對傳統的電磁流量計存在測量口徑固定、安裝不便的問題，提出一種基于超聲波管道流體流速傳感器檢測原理的便攜式管道流體流速自動檢測裝置，實現了對管道介質流速的柔性測量。便攜式現場主機可以與上位機通過RS-232通信接口相連，實現對多臺檢測設備流速記錄的保存和數據的分析，尤其適用于一些不宜直接接觸測量的流體介質的流速測量。

關鍵詞：流體流速流量計超聲波便攜式自動檢測上位機串口通信RS232

0引言

在工業過程中，管道中流體介質的流速測量和調節是一個很重要的控制參數指標[1]。采用傳統流量計測量流體流速時，不同內徑的管道必須對應不同公稱直徑的流量計，安裝不便，并且增加了企業運行成本[2-3]。特別是在一些特殊的如介質有腐蝕性、不宜直接接觸等場合，采用傳統流量計測量流速更不方便[4-5]。為了克服上述問題，基于超聲波原理，本文提出一種即裝即用的便攜式管道流體流速檢測裝置，在不切開管道的情況下，實現非接觸式柔性測量。紐扣式的測量傳感器便于安裝拆卸，在現場主機顯示屏或上位機上都可以設置管道的內徑大小、管壁厚度、管道材質參數，可測量內徑為DN15～DN6000的管道內流體流速。

1超聲波流速傳感器的設計原理

超聲波管道流體流速傳感器由兩個可以接收和發生超聲波的傳感器組成。超聲波在流體介質中傳播時，根據多普勒效應，順流方向的聲波傳播速度會增大，逆流方向聲波的傳播速度會減小。超聲波管道流體流速檢測原理如圖1所示。

圖1　流體流速檢測原理圖

圖1中，編號1和2為超聲波傳感器和超聲波傳感器，編號3和4為待測管道的上下截面，A點和B點為超聲波與管道內截面的交點，L為A點到B點的距離，N表示兩個傳感器從A點到B點的軸向距離，D為管道的內徑，M為管道壁的厚度，α為超聲波的入射角，β為管道軸向與超聲波聲道之間的夾角，V為流體的流速。

為了保證流速檢測的精度，檢測方法還考慮管道壁厚(M)。設t1,A表示超聲波從傳感器1到A點在管壁中傳輸的時間，tA,B表示超聲波順流從A點到B點的傳輸時間，t2,B表示超聲波從傳感器2到B點在管壁中傳輸的時間，tB,A表示超聲波逆流從B點到A點的傳輸時間。tA,1，tB,2的定義原則相同。

因為在管道壁中超聲波的傳播速度是保持不變的，且管壁厚度相同，于是有：t1,A=tA,1=t2,B=tB,2。

順流方向，超聲波從傳感器1到A點在管壁中的傳播時間為：

(1)

超聲波從A點到B點的傳播時間為：

(2)

因此，順流方向傳播時間即傳感器1到傳感器2的傳播時間為：

t1,2=t1,A+tA,B+tB,2

(3)

同樣地，逆流方向，超聲波從傳感器2到B點在管壁中的傳播時間為：

(4)

B點到A點的傳播時間為：

(5)

因此，逆流方向傳播時間，即傳感器2到傳感器1的傳播時間為：

t2,1=t2,B+tB,A+tA,1

(6)

以上公式中：C為超聲波在靜止的流體介質中的傳播速度；C0為超聲波在管壁中的傳播速度；α由傳感器設計時確定，取45°。

L2=N2+D2

(7)

(8)

由上述各式，推導得到流速V的表達式為：

(9)

式(9)與C無關，只與超聲波傳感器的安裝位置(決定N的大小)、管道的內徑D、管道壁的厚度M、管道的材質(決定C0的大小)有關。所以只需要在使用之前固定好傳感器的位置、設置好相應的管道參數(N、M、D)和管道(通過選擇不同的材質，例如常見的鑄鐵、不銹鋼、銅管、PVC、玻璃等)，便攜式主機單元可自動查出超聲波在其中的傳播速度。

便攜式現場主機單元在計量超聲波順流方向傳播時間t1,2和逆流方向傳播時間t2,1后，可由式(9)計算得到流速。

幾種常見的超聲波在不同管道材質中的傳播速度如表1所示。

表1　幾種常見超聲波管道材質傳播速度

2便攜式檢測裝置的硬件電路設計

基于超聲波的便攜式管道流體流速自動檢測裝置主要由便攜式現場主機單元、紐扣式的超聲波收發裝置、時間數字轉換器、超聲波專用電纜線和上位機實時監控單元構成[6]。

便攜式超聲波管道流速檢測裝置可以單獨使用，當便攜式檢測設備通過串口通信模塊與上位機相連接時，可以與上位機通信進行數據交互。便攜式管道流體流速檢測裝置的總體硬件電路設計如圖2所示。

圖2　裝置總體硬件電路設計

圖3為TDC-GP2外圍電路連接圖。

圖3　TDC-GP2外圍電路連接圖

TDC-GP2芯片[7]具有皮秒級別的高精度時間測量能力，TDC-GP2外接兩個晶振，其中4 MHz的高速晶振用于時間測量和時鐘校準，32 kHz的晶振用于芯片的內部定時。Fire1和Fire2能夠觸發兩組高速脈沖激勵信號，用于激勵上下兩組超聲波收發裝置。Start引腳用于測量超聲波計時開始的信號，Stop引腳用于接收測量停止的信號。兩個超聲波收發單元各自發射和接收超聲波，通過專用的超聲波專用電纜線，將信號傳輸到便攜式現場主機單元中。該收發裝置固定在管道上，用于實現管道流體流速的非接觸式測量。系統采用MAX232芯片實現串口通信的功能，其接線如圖4所示。

圖4　MAX232芯片串口通信接線圖

3流速檢測設備系統軟件設計

流速檢測系統檢測流程如圖5所示。

圖5　系統檢測流程圖

一種基于超聲波的便攜式管道流體流速自動檢測裝置的應用軟件設計，主要包括初始化程序，流速數據的處理運算，實時數據的顯示、通信處理，流速數據的保存和管理4大部分。

①掃描初始化程序，包括從EEPROM中讀取運行參數，A/D端口的初始化，串口通信方式的配置。

②采集待檢流速的管道參數：傳感器的安裝位置(N的大小)、管道的內徑D、管壁厚度M、管道的材質(C0的大小)，超聲波在常見不同材質中的流速見表1。

③TDC-GP2測量得到超聲波順流方向傳播時間和逆流方向傳播時間。

④在系統中預先設定一個采樣次數常數N，用于確定順流和逆流的采樣時間個數，均值濾波，求N次采樣時間的均值。由式(9)計算得到流速。

⑤LCD液晶顯示模塊顯示實時的流速值。

⑥當便攜式主機與上位機通過串口RS-232相連時，上位機不僅可以向主機發出控制命令，設置管道的參數，而且還可以記錄并保存流速數據。上位機可以實現參數設置、實時數據顯示、流速曲線顯示和報警記錄4個功能，并且可以對多臺檢測設備同時在線監控，實現對工程中的流速數據集中分析處理，以便進行數據溯源。

4結束語

本文提出一種超聲波管道流體流速傳感器的檢測原理，并設計出一種可實現對不同管徑大小的管道流體流速的便攜式檢測裝置。該流體流速檢測裝置柔性安裝，易于攜帶。現場的主機單元能夠自動檢測并顯示當前流速大小。當便攜式檢測設備與上位機相連時，可以實現對多臺設備檢測的流速數據的記錄保存和分析。

便攜式管道流體流速檢測方法適用于一些不宜直接接觸的流體介質，實現非接觸式的管道流體流速的自動檢測，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[7] Yao B B,Zhang H J,Tang X Y,et al.Method of ultrasonic flow rate measure based on Delta-T and TDC-GP2[J].Zidonghuayu Yibiao/Automation & Instrumentation,2011,26(8):17-20.

Design of Portable Auto-detection Device for Fluid Velocity in Pipeline

Abstract：In industrial processes,it is necessary to detect the fluid velocity in different pipeline.In view of the insignificancy of traditional electromagnetic flowmeters,i.e.,the fixed measuring bore and installation inconvenience,the detection principle of a kind of ultrasonic fluid velocity sensor for pipeline is put forward; and the portable automatic detection device for pipeline fluid velocity is designed to realize the flexible measurement of pipeline medium velocity.This portable host unit on-site can be connected to the upper machine via RS232 communication interface,in which the velocity data from multiple detection devices can be recorded,stored and analyzed.The device is especially suitable for some unfavorable direct contact measurement of fluid flow velocity measurement.

Keywords:Fluid velocityFlowmeterUltrasonicPortableAutomatic detectionUpper machineSerial port communicationRS232

中圖分類號：TH81;TP274

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605024

江蘇省產學研聯合創新基金資助項目(編號：BY2013016)。

修改稿收到日期：2015-07-17。

作者項亞南(1989-)，男，2015年畢業于江南大學控制科學與工程專業，獲碩士學位；主要從事檢測技術及自動化裝置方向的研究。