基于时差法的流量计设计

    流体流量计的用途十分广泛,在工业上,如石油、化工、水电等部门,流量计已经成为对液体流量检测必不可少的设备.传统流体流量计按工作方式主要有机械式、电阻式、电磁式、涡流式等类型.此类流量计一般精度较低、测量范围较小,特别在一些不能将探头置入被测液体内的特殊场合,根本无法使用^[1].

    超声波流量计是一种新型的非接触式流量计,将超声波传感器夹装在被测管道的外侧,利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量.它安装方便,不影响流体的流动状态,测量范围宽、精度高,特别适用于大口径管道流量和有毒、腐蚀性、易燃、易爆及含有放射性物质等流量的测量.超声波液体流量计按测量原理分为时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法.其中,时差法应用最为普遍.

    时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量,从应用效果看,精度和稳定性受安装环境和角度影响较大.这主要是因为目前时差法超声波流量计测量的关键问题在于对于回波波形的识别和时差的精确检测.因此为进一步提高超声波的测量精度和工作的稳定性,本文考虑对超声波的回波进行数字采样,通过对回波的数字信号处理来准确提取上下回波的时差信息,并且利用DSP的数字信号处理技术以及新的数字鉴相处理技术以使超声波流量计的测量精度得到大幅度的提高.

    1　超声波流量计时差法原理

    时差法超声波流量计,是利用超声波在横向穿过流动的液体时,在其顺流和逆流介质中,其超声波的速度有差异而形成速度差(时间差).时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的.具体方法如下:

    若在固定长度L的距离内,分别放置两组超声波发送和接收器,则对于顺流和逆流有

    t₁=L/(c+v)(顺流),　　　　t₂=L/(c-v)(逆流) .

    式中,c为超声波在静止流体内的传播速度;v为流体流动的速度;t₁为顺流传播所需要的时间;t₂为逆流传播所需要的时间.

    那么,时间差就为:    Δt=t₂-t₁=2Lv/(c²-v²) .

    由上式可知,流体的流速正比于时间差Δt.由于超声波在不同温度的水内传播速度c略有变化,故仪器本身就带有温度补偿的功能.其大致的原理过程为:由超声波的探头发射并接收超声波信号,通过对其信号进行转换、放大、运算、补偿等一系列的处理过程.最后显示出要测量的流量值.对于不同的管道,有不同的参数需要设置,这些均由仪器内计算机的软件进行自动调整,并且可以通过功能显示键随时显示出我们所需要的数值(如介质的流速、介质的瞬时流量、介质的累计流量、介质的累计运行时间、超声波探头的安装位置指示、超声波信号强度的指示等),从而非常方便地监视超声波探头的安装情况和仪表的运转情况.