基于多脉冲的超声波小流量测量系统

　　1引言

　　超声波流量计由于具有非接触测量、不破坏流体流场、不受流体的物理性质和化学性质影响等优点,被广泛应用于水利、石油、化工、电力等部门。但是由于技术水平、材料、工艺等多方面的原因,目前的超声波流量计只是在大管径、大流量的测量上占有优势,而小流量的测量仍处于研制和小范围试用阶段。

　　文章研制了一种以双单片机为核心的多脉冲超声波小流量测量系统,对系统的测量原理、硬件电路、软件设计进行了介绍。

　　2超声波流量测量原理

　　2.1时差法超声测量原理

　　传统的超声波时差法测流是靠测量超声波在流体中顺逆流传播时间差来计算流体流速进而得到流量的,其测量原理如图1所示,两个换能器T1、T2安装在管壁同一侧,与管壁成角。图中v为液体流速,c为超声波在该静止液体中的声速。

　　超声脉冲从T1发射后经过tS时间由T2接收,为顺流发射;超声脉冲从T2发射经过tn时间由T1接收,为逆流发射。这样,tS、tn间存在一个时间差,即:

　　2.2多脉冲时差法小流量测量原理

　　对于小流量,ts、tn、的值很小,以超声波在水中的传播速度1450m/s为例,采用双探头双发双收形式,水流速度为0.3m/s,距离为1m的传播时间为689.655μs,而一般流速下顺、逆流的传播时间只差几百纳秒到几微秒,使用1MHz的超声波进行测量时,相差1个周期(1μs),就会引起系统0.36%的误差,若系统的精度为1%,则由测量时间差产生的误差就占其中的36%,因此直接测量不仅非常困难,而且容易存在较大的偏差,所以本系统采用多脉冲时差法,利用超声波的多次发射和接收过程,对时间t进行测量。

　　多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间,而且能在流量测量过程中结合多脉冲测方法的特点,利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差做出合理估计,从而确保了流量测量的精度。其工作示意图见图2。

　　首先使一个超声波换能器T1作为发射探头,另一个换能器作T2接收探头,然后将触发信号施加在发射探头T1上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头T2接收并转换为电信号,接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器T1第二次发射超声波,如此重复上述的超声波发射、接收过程,就形成了自激的顺流超声波声循环。

　　在完成N次声循环后循环停止,假设这N次顺流声循环所需的时间为ts,超声波完成N次逆流声循环后所需的时间tn,则。应用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后,现有的电子线路可以非常容易的对ts、tn进行测量,时间差 的准确测量就变得容易