时差法超声波流量计
超声波流量计原理：时差法
超声波流量计: 超声波流量计 信噪比
II. 信噪比 (SNR)
S = 在流体中传播的信号 N = 在管壁内传播的“短路”噪声 在管壁内传播的“短路” • 为了完成优良的测量，要求 为了完成优良的测量， S >> N 或 SNR >> 1. • 高压有助于提高信号 S. • 良好的垫片将减小噪声 N. Pmin (barg)* 气体 N2 H2 SNR ≈ 1 2 7.5 SNR ≈ 4 4 30
层流 过渡流场 湍流 = 0.75 ≈ 0.85 = 0.91 - 0.99
GE Panametrics
kRe =
注释： 注释：
1 1.119 − 0.011 log R e
运动粘度 v变化 10倍导致流量 <1% 的变化。 的变化。
V = 10 m/sec 及内径 (ID) = 6” v = 10×10-6 v = 100×10-6 × × Re = 0.15×106 Re = 0.015×106 × × kRe = 0.932 kRe = 0.922
tup > tdn ∆ t = tup − tdn
超声波流量计原理： 超声波流量计原理：时差法
流体流速
GE Panametrics
V Η
C2 ×∆t 2L
体积流量测定
θ P
L
V
Q = 流速 × 横截面积 Q = V×A 声速
tup = tdn =
P c -Vsin θ P c+Vsin θ
c=
P tavg
超声波流量计: 超声波流量计 Re修正 修正
修正系数
GE Panametrics
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
提升时差法超声波流量计精度的方法包括但不限于以下几点：
1. 选择合适的换能器：换能器的性能对于流量计的精度至关重要。
选择具有高频、低噪声和高灵敏度的换能器可以提高流量计的精度。
2. 正确安装换能器：确保换能器安装在管路上，使得超声波的传输路径与流体流向垂直。
如果安装不正确，可能会影响超声波的传输，从而导致测量误差。
3. 流体特性分析：了解流体的物理特性，如密度、声速和粘度等，可以帮助调整流量计的参数，从而提高测量精度。
4. 环境因素控制：温度、压力和振动等因素可能会影响超声波的传输和接收，因此需要对这些因素进行控制或补偿。
例如，可以对温度和压力进行测量并补偿到流量测量中。
5. 信号处理和算法优化：改进信号处理技术和算法可以减少噪声和其他干扰的影响，从而提高测量精度。
例如，可以采用数字滤波器、信号增强技术和先进的信号处理算法等。
6. 定期校准和维护：定期对流量计进行校准和维护可以确保其准确性和可靠性。
这包括检查换能器的状态、清理管路和检查连接等。
7. 培训和技术支持：提供适当的培训和技术支持可以帮助用户更好地理解和使用流量计，从而提高其测量精度。
以上方法仅供参考，具体实施还需要根据实际情况进行调整。
时差法超声波流量计原理
时差法超声波流量计原理一、引言时差法超声波流量计是一种常用的非接触式流量计，它利用超声波的传播速度和反射原理来测量流体的流速和体积流量。
该技术在石油、化工、冶金、电力等行业中得到广泛应用，本文将详细介绍时差法超声波流量计的原理。
二、超声波传播原理超声波是指频率大于20kHz的高频声波，其传播方式与普通声音不同。
普通声音是通过空气分子振动相互传递的，而超声波则是通过物质内部介质中分子振动相互传递。
当超声波遇到介质边界时，会发生反射和折射现象。
三、时差法原理1.单向测量在单向测量中，发射器向下游方向发射超声波信号，经过液体后被接收器接收到。
此时液体处于静止状态，信号从发射到接收所需时间为T1。
当液体开始流动时，信号在液体中传播所需时间变为T2。
由于液体的流速可以通过T1和T2之间的时间差来计算出来，因此时差法超声波流量计可以用来测量单向流动的液体的流速和体积流量。
2.双向测量在双向测量中，发射器和接收器分别位于管道两端，发射器向上游方向发射超声波信号，经过液体后被接收器接收到。
同时，发射器也会向下游方向发射超声波信号，经过液体后被另一个接收器接收到。
此时液体处于静止状态，信号从发射到接收所需时间为T1。
当液体开始流动时，由于上下游方向的超声波传播速度不同，信号在液体中传播所需时间变为T2和T3。
由于T2和T3之间的时间差可以用来计算出液体的平均流速和体积流量。
四、应用场景1.石油行业：时差法超声波流量计可以用来测量石油、天然气等介质的流速和体积流量。
2.化工行业：时差法超声波流量计可以用来测量各种化工介质的流速和体积流量。
3.冶金行业：时差法超声波流量计可以用来测量冶金行业中的各种液态金属的流速和体积流量。
4.电力行业：时差法超声波流量计可以用来测量各种液态介质在电力输送管道中的流速和体积流量。
五、总结时差法超声波流量计是一种常用的非接触式流量计，它利用超声波的传播速度和反射原理来测量液体的流速和体积流量。
时差法超声波流量计的原理和设计
时差法超声波流量计的原理和设计王润田1 引言超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。
和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。
近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。
作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。
本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
2时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。
他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
图1 时差法超声波流量测量原理示意图图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。
由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td 之间的差为：式中X 是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。
即：上式可简化为：也就是流体的流速为：由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q 可以表示为：24D Q Vdt π=⎰3 时差法超声波流量计的设计图2是我们设计的超声波流量计的原理框图。
图中主要有两个超声波发射单元、一个时间测量单元和一个控制器。
时差法超声波流量计设计与研发
时差法超声波流量计设计与研发一、本文概述随着现代工业和科技的飞速发展，流量测量技术在各种工程和科学研究中扮演着越来越重要的角色。
超声波流量计作为一种非接触式的流量测量设备，因其高精度、宽测量范围和良好的适应性而受到广泛关注。
时差法超声波流量计是其中的一种，它利用超声波在流体中传播的速度差异来测量流量，具有测量准确、安装简便、维护成本低等优点。
本文将对时差法超声波流量计的设计与研发进行详细的探讨，旨在为读者提供全面的技术理解和应用指导。
本文首先介绍时差法超声波流量计的基本原理和工作机制，为后续的设计研发提供理论基础。
接着，详细阐述流量计的设计过程，包括硬件设计、软件设计和系统设计等方面，突出设计的创新性和实用性。
同时，结合实际应用案例，分析流量计的性能表现和优缺点，为进一步优化设计和提升性能提供依据。
在研发方面，本文重点介绍时差法超声波流量计的关键技术突破和创新点，如信号处理算法的优化、传感器技术的改进等。
还将探讨流量计在实际应用中的稳定性和可靠性问题，为产品的市场推广和应用拓展提供支持。
通过本文的研究，旨在推动时差法超声波流量计技术的进一步发展，为流体测量领域的科技进步做出贡献。
也为从事相关研究和应用的技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、时差法超声波流量计的基本原理时差法超声波流量计是一种基于超声波在流体中传播速度受流体流速影响原理的流量测量仪表。
其基本原理是利用超声波在流体中顺流和逆流传播时，因流体流速的存在而产生的传播时间差来推算流体的流量。
在时差法超声波流量计中，一般设有一对或两对超声波换能器，它们分别被安装在被测流体管道的两侧，或者对称安装在管道的同一侧。
一对换能器中的一个作为发射器，另一个作为接收器，它们之间的超声波传播路径与流体流动方向平行。
当流体静止时，超声波从发射器传播到接收器的时间是一个固定值。
但当流体流动时，超声波的传播路径会受到流体流速的影响，导致传播时间发生变化。
具体来说，当超声波顺流传播时，由于流体的推动作用，超声波的传播速度会加快，因此传播时间会变短；而当超声波逆流传播时，由于流体的阻碍作用，超声波的传播速度会减慢，因此传播时间会变长。
超声波流量计技术参数
超声波流量计技术参数
1. 测量原理: 超声波时差法
2. 测量介质: 液体（包括清水、污水、油等）
3. 测量范围: 0-9999 m³/h
4. 精度等级: ±0.5%、±0.2%、±0.1%（可选）
5. 频率范围: 1-1000 kHz
6. 工作温度: -40℃ 到+160℃
7. 工作压力: 0.6 MPa 到 4.0 MPa
8. 输液管道尺寸范围: DN10-2000（可定制）
9. 接口类型: 法兰、螺纹（可定制）
10. 电源电压: 24V DC、220V AC（可选）
11. 通信接口: RS485、HART、Modbus等
12. 显示屏类型: LCD、LED（可选）
13. 抗干扰能力: 能有效抵抗电磁干扰、震动干扰等
14. 自检功能: 自动检测传感器和电路状态，确保准确度和可靠性
15. 报警功能: 可设置上下限报警值，超过范围时自动报警
16. 数据记录功能: 可记录最近一段时间的流量数据，并提供数据导出功能
17. 防护等级: IP65以上，具有防尘、防水能力
18. 安装方式: 直连安装、插入安装、侧装安装等
19. 使用寿命: 长达10年以上
请注意，以上参数仅为示例，实际产品参数可能根据设备型号和厂家不同而有所变化。
时差式超声波流量计
时差式超声波流量计
OMEGA FDT-30系列
•外壳紧凑
•大数字显示屏
• 4 ~ 20 mA、TTL和涡轮模拟输
出
•流速和累加流量显示
•适用于洁净液体
FDT-30系列流量计可夹装在现有管路系统外部，实现方便且成本低廉的安装。
非侵入式时差系统可以让固体通过管路，而不会对流量计产生任何影响。
无需Y 型过滤器或过滤设备。
测量包含夹杂气体的液体时可获得更高的精度。
FDT-30系列流量计将自动校正显示的流速和电子输出。
可通过4 ~ 20 mA输出以及TTL 脉冲输出或与液体流速成比例的模拟涡轮流量计输出与数据收集系统直接交汇。
专门设计用于在液体状态易于损坏或妨碍机械式流量计工作的情况下替代机械式流量计。
无需保养。
FDT-30系列流量计可在井水及含有适量悬浮固体或气体的其它液体等应用场合中使用。
FDT-30系列流量计的外壳适合户外安装。
一体化安装传感器可用于直径为50 mm (2")及更小管路。
时差法超声波流量计资料
时差法超声波流量计1 引言超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。
凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。
2 超声波流量计分类根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。
2.1 多普勒法多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。
其工作原理如图1所示。
图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。
根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为：)sin 21()sin 1()sin 1(02012Cu f C u f C u f f βββ-≈-=-= (1)βsin 2)(020f Cf f u -=(2)多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。
2.2 波束偏移法波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。
其测量原理如图2所示。
图2 波束偏移法原理图Fig.2 Theory of beam-excursion approach流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。
波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。
3 时差法原理3.1 时差法时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。
时差法超声波明渠流量计注意事项
时差法超声波明渠流量计注意事项
时差法超声波明渠流量计是一种常用于测量河流、渠道等开放
水体流量的设备。
在使用时，需要注意以下几个方面：
1. 安装位置选择，时差法超声波明渠流量计的准确性和稳定性
受到安装位置的影响，因此在安装时需要选择一个水流稳定、无明
显涡流和波动的位置，以确保测量的准确性。
2. 渠道准备，在安装时需要确保测量的渠道或河流的几何形状
和底部材质符合仪器的要求，以保证超声波的传播和反射符合设计
要求。
3. 温度和压力补偿，时差法超声波明渠流量计在测量时需要考
虑水温和压力对声速的影响，因此需要进行相应的温度和压力补偿，以确保测量的准确性。
4. 环境影响，周围环境的噪声和干扰会影响超声波的传播和接收，因此需要在安装时考虑周围环境的影响，并采取相应的措施进
行干扰抑制。
5. 定期校准和维护，时差法超声波明渠流量计作为精密仪器，需要定期进行校准和维护，以确保测量的准确性和稳定性。
综上所述，使用时差法超声波明渠流量计需要注意安装位置选择、渠道准备、温度和压力补偿、环境影响和定期校准和维护等方面，以确保测量的准确性和可靠性。
时差法超声波流量计.
t
2dv tan
C2
C2
2d tan t
v n v K 2n 1 2n 1 流量修正系数K 2n
v
1
v
雷诺数（Re）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体流动状态的一个 判断依据。
折射角θ 修正
θ 角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数。因此，必须 对θ 角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。
3、噪声法 4、相关法
三、时差法原理
流量
单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流 量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为 体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单 位为kg/s。
Q v S
超声波特性
超声波通常指频率高于20KHz的机 械波，它可以在气体、液体和固体 中传播。我们只以水为介质进行分 析。
sin 0
C0
sin 1
C1
sin
C
C sin 0 arcsin( ) C0
C 0 和 0为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。 这样就可以通过修正后的C对θ进行修正了。
四、总体设计
换能器安装
本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、 接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断 面分布不均匀的误差，
时差法超声波流量计
1 2 3 4 5 6
概述及超声波流量计简介 超声波流量计分类 时差法原理 总体设计 硬件、软件设计 实验研究
目
录
一、概述及超声波流量计简介
自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部 分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个 领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不 断加强。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从 国外进口。目前我国的流量装置方面，与国际水平仍存在较大差距，现有 产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求。 超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量 流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大 小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被 认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统 中被广泛应用。 随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波 流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。ARC(Auotmation Research Corp)2001年给出2001-2005年超声波流量计的年复合增长率（ CompoundAnnualGrowthRate,CARG）为10.5,远远高于其它流量计的增 长率。
时差式超声波流量计原理计算公式
时差式超声波流量计原理计算公式时差式超声波流量计是一种常用的流量计量仪器，它采用超声波技术来测量流体的流速和流量。
其工作原理基于超声波在流体中的传播速度与流速之间的关系。
时差式超声波流量计由传感器和电子控制器两部分组成。
传感器通常由两个超声波传感器组成，一个作为发射器，另一个作为接收器。
发射器将超声波信号发送到流体中，接收器接收到超声波信号经过流体后的回波。
当流体流过传感器时，超声波的传播速度会受到流体速度的影响而发生变化。
根据多普勒效应的原理，流体运动方向与超声波传播方向相同时，超声波的频率会增加；流体运动方向与超声波传播方向相反时，超声波的频率会减小。
通过测量超声波的频率变化，可以得到流体的速度信息。
时差式超声波流量计的计算公式基于超声波的传播速度和流体速度之间的关系。
根据声速公式：v = λf，其中v为声速，λ为超声波波长，f为超声波频率。
假设超声波在静止介质中的传播速度为c，超声波在流体中的传播速度为v，流体的速度为u，则有：v = c + u根据多普勒效应的公式：f' = f(1 + u/v)，其中f'为回波频率。
将上述两个公式联立，可以得到流体速度u的计算公式：u = (cλ(f' - f))/(2f^2)其中，c为超声波在静止介质中的传播速度，λ为超声波的波长，f 为超声波的发射频率，f'为回波频率。
根据流体速度u的计算公式，可以进一步计算流体的流量Q。
流量Q 定义为单位时间内通过管道截面的流体体积。
假设管道的截面积为A，则流量Q的计算公式为：Q = uA时差式超声波流量计的工作原理是利用超声波在流体中的传播速度与流速之间的关系来测量流体的速度和流量。
其计算公式基于超声波的传播速度和流体速度之间的关系，通过测量超声波的频率变化和管道截面积，可以准确计算出流体的速度和流量。
时差式超声波流量计具有测量范围广、精度高、可靠性好等优点，广泛应用于工业生产和实验室研究中。
时差法超声波流量计在核电厂的应用及故障处理
时差法超声波流量计在核电厂的应用及故障处理发布时间：2021-01-06T14:54:15.227Z 来源：《中国电业》2020年8月22期作者：陆彦飞[导读] 超声波流量计是一种无阻碍流量计，在测量过程中，不会在流体流动通道内设置任何阻碍件，管外安装不阻碍流体的流动，测量过程与生产过程同时进行。
陆彦飞福建福清核电有限公司福建省福清 350318摘要：超声波流量计是一种无阻碍流量计，在测量过程中，不会在流体流动通道内设置任何阻碍件，管外安装不阻碍流体的流动，测量过程与生产过程同时进行。
尤其在大管道、大流量、介质腐蚀性环境下，超声波流量计的优势更加明显，应用更加广泛。
本文首先阐述了超声波流量计的测量原理，然后介绍了超声波流量计在核电厂的应用案例，最后，本文列举了超声波流量计在核电厂应用过程中出现的问题及处理方法。
关键字：超声波流量计；应用；故障处理 1.超声波流量计概述1.1概述超声波流量计是一种无阻碍流量计，在测量过程中，不会在流体流动通道内设置任何阻碍件，管外安装不阻碍流体的流动，测量过程与生产过程同时进行。
相比其他类型流量计，超声波流量计有三大特点：非接触式、精度高、对介质的腐蚀性和化学性无要求等。
正因为超声波流量计具有上述有点，所以使其被广泛应用在各工业领域。
1.2超声波流量计原理超声波流量计常用的测量方法未传播速度差法、多普勒法等。
传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。
其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用超声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
本文重点阐述时差法测量原理。
时差法超声波流量计是利用超声波信号在流体中顺逆流传播时间之差来测量流体的流速，进而换算为流量，原理图见图1。
图1 超声波流量计测量原理一对超声波换能器交替作为接收和发射超声波端，并以一定的夹角安装在管道两侧，交替作为接收和发射超声波端。
超声波流量计的原理及应用
超声波流量计的原理及应用
超声波流量计是一种通过测量流体中的超声波传播时间和频率变化来确定流速和流量的仪器。
它能够实现非接触式测量，不影响管道内的流体流动，具有高精度、高灵敏度、稳定性好、使用寿命长等特点，因此被广泛应用于各种工业领域的液体和气体流量测量。
超声波流量计的原理是利用超声波在流体中传播的速度与方向受流体速度的影响，从而实现流速和流量测量。
它的工作原理可分为时差法和多普勒法。
时差法是通过测量超声波从传感器发射到反射回来的时间差来计算液体流量的。
当超声波传播在流体中时，它的速度受到液体流速的影响而发生变化，这导致了反射回传感器的超声波信号的到达时间会发生变化。
使用两个超声波传感器分别作为发射器和接收器，测量时间差，就可以得到流速和流量的数据。
而多普勒法则是测量通过超声波反射后发生其他频率变化的超声波信号的技术。
当超声波以一定倾角穿过液体流动时，流速会导致它们以不同的频率回反射回来。
利用这种现象，只需测量回波的频率变化就可以确定液体流量。
超声波流量计的应用非常广泛，包括水厂、石油化工、制药、食品饮料、化肥生产以及市政供水等行业。
用于管道的流量计可以测量液体、气体、和气体粉尘混合物的流速和流量。
它还能够自适应地适应温度、压力、粘度和介质的变化。
此外，超声波流量计对管道的直径、材料和形状等都没有严格的要求，适用范围非常广泛。
总之，超声波流量计是一种高效、高精度、高灵敏度的流量测量仪器，具有广泛的应用领域，是现代工业流量测量和控制领域不可或缺的重要仪器。
超声波流量计原理时差法
• 高压有助于提高信号 S.
• 良好的垫片将减小噪声 N.
气体 N2 H2
Pmin (barg)*
SNR ≈ 1 SNR ≈ 4
2
4
7.5
30
* 数据源于1996年 5月荷兰壳牌石油公司有关实验结果。
BWT 缓冲棒 垫片
安装短管
N S N 管线 安装短管 垫片 BWT 缓冲棒
例：管子内径 10”，当流速 V =10m/s 若 Re = 0.5×106 ，则运动粘度 = 50.8×10-6 若 Re = 5×106 ，则运动粘度 = 5.08×10-6
超声波流量计: 流体动力学
流场区域
层流: • 层状的,抛物线状流场 Re : 0 to 2000
GE Panametrics
GE Panametrics
雷诺 # Re = V ID
例：在 20 oC时, 水的运动粘度 =1×10-6, 假定管子内径 10”， 若管内水的流速 V = 1 m/s，则 Re = 2.54×106 若管内水的流速 V = 10 m/s，则 Re = 25.4×106
雷诺数表征流体惯性力与粘性力之比。若雷诺数小，粘性力占主要地 位，粘性对流场的影响是主要的。雷诺数大，则惯性力是主要的
• 如果 Z2 = Z1，阻抗匹配。信号将最大限度地从缓冲棒传入待测介质。 • 如果 Z2 Z1，阻抗不匹配。在绝大多数应用中，Z2 << Z1，只有少量
信号从缓冲棒传入待测介质。
超声波流量计: 信噪比
GE Panametrics
II.信噪比 (SNR)
S = 在流体中传播的信号 N = 在管壁内传播的“短路”噪声
基于arm的时差法超声波流量计设计
基于arm的时差法超声波流量计设计超声波流量计是一种常用的流量测量仪器，它通过测量流体中传播的超声波的传播时间来计算流速和流量。
基于ARM的时差法超声波流量计设计是一种新型的流量计设计，利用ARM处理器的高性能和灵活性，能够更精确地测量流体的流速和流量。
设计基于ARM的时差法超声波流量计，需要考虑以下几个方面：1.传感器选择：选择适合的超声波传感器，能够提供较高的测量精度和稳定性。
根据流体特性和测量要求，选择合适的传感器类型，例如时间差法传感器或频率差法传感器。
2. ARM处理器选择：选择适用的ARM处理器，具有足够的计算能力和接口支持，能够处理传感器采集的数据，并进行流速和流量的计算。
同时，选择具有低功耗和高性能的ARM处理器，以确保系统的稳定运行。
3.硬件电路设计：设计合适的电路板，搭建传感器和ARM处理器之间的连接。
为传感器提供稳定的电源和信号接口，同时确保电路板布局合理，避免干扰和噪声。
4.软件算法开发：利用ARM的编程能力，开发流量计的软件算法。
根据时差法原理，通过测量超声波在流体中传播的时间差，计算出流速和流量。
软件算法需要处理传感器采集的原始数据，并进行数据校准和滤波，以提高测量精度。
5.界面设计：设计友好的用户界面，使用户能够方便地操作流量计，并获得实时的流速和流量数据。
界面可以通过液晶显示屏和按键来实现，也可以通过无线通信模块与外部设备进行连接，实现远程监控和控制。
基于ARM的时差法超声波流量计设计的优势主要有以下几点：1.高精度：利用ARM处理器的高计算能力和精确的时钟同步，能够实现更精确的流量测量，提高测量精度。
2.稳定性：ARM处理器的稳定性和可靠性能够保证流量计的长期稳定运行，减少故障和误差。
3.灵活性：ARM处理器具有丰富的接口和强大的软件支持，能够适应不同的应用场景和需求，实现个性化定制。
4.低功耗：选择低功耗的ARM处理器，能够降低能耗，延长流量计的使用时间。
总的来说，基于ARM的时差法超声波流量计设计能够提高流量测量的精度和稳定性，并且具有较高的灵活性和低功耗特点。
时差法超声波流量计设计与研发
时差法超声波流量计设计与研发随着工业技术的不断发展，流量测量在生产实践和科学研究中变得越来越重要。
流量计量的准确性直接影响到生产效率、产品质量和能源消耗等方面。
因此，选择合适的流量计和流量测量方法对于工业生产具有重要意义。
本文将介绍一种高精度、非接触式的流量计量方法——时差法超声波流量计。
这种流量计具有适用范围广、测量准确、稳定性好等优点，在许多领域都有广泛的应用。
时差法超声波流量计是一种利用声波在流体中传播时产生的时间差来测量流速的流量计。
本次实验旨在设计与研发一种高精度、低成本的时差法超声波流量计，以解决实际应用中存在的精度低、稳定性差等问题。
实验装置包括超声波发射器、超声波接收器、信号处理电路、数据采集系统和计算机控制系统。
超声波发射器与接收器之间距离为L，流体流速为v，超声波在流体中传播的时间为t1和t2（t1>t2）。
（1）将超声波发射器与接收器固定在管路上，确保两者之间距离为L；（2）开启超声波发射器，并使用信号处理电路将电信号转换为超声波信号；（3）在超声波信号到达接收器后，通过信号处理电路将超声波信号转换为电信号；（4）使用数据采集系统记录t1和t2；（5）根据公式v=L/(t1-t2)计算流速；（6）通过计算机控制系统实现实时数据采集与处理。
通过实验，我们成功设计并研发了一种高精度、低成本的时差法超声波流量计。
实验结果表明，该流量计在测量不同介质时均具有较高的测量精度和稳定性。
具体实验数据如下表所示：通过实验数据，我们发现该时差法超声波流量计具有较高的测量精度和稳定性。
误差较小，大多在±5%以内。
这主要得益于以下因素：高精度计时系统：本实验采用高精度计时系统，能够精确记录超声波信号到达接收器的时间，从而确保流速测量精度。
高性能信号处理电路：本实验采用高性能信号处理电路，能够将超声波信号有效转换为电信号，并减少噪声干扰，提高信号接收效果。
数据修正与校准：在实验过程中，我们对实验数据进行实时修正与校准，进一步提高了流速测量精度。
时差法超声波流量计的高精度测量技术
５ 结束语
图 ４ 高速计数原理 高速计数器的设计思路是在较低的外部时钟频 率下实现高速计数， 其原理是基于数字移项技术。所
本系统采用多种措施提高超声波流量计的测量
精度， 实现了用时差法精确地测量液体流量的目的， 系统具有操作简单， 成本低， 使用方便的优点。实验结 果表明， 测量精度完全能够达到设计要求。 参考文献： ［１］同济大学声学教研室． 超声工业测量技术． 上海：上海人民出 版社，１９７７ ［２］王小平，王彦芳，李夏青． 非介入式智能（转 ３２ 页）
技 题。本系统时钟频率是 １６０ＭＨｚ， 其等效时钟频率是
６４０ＭＨｚ， 测量的最大误差是 １．５６ｎｓ。
术 ４．３ 其它措施
尽管超声波发射电路的电压比较高， 但接收传感
创 器接收到的电压信号， 只有几毫伏至几百毫伏。因此
接收电路需要对接收到的信号进行放大。放大电路由
新 限幅电路、前置放大， 带通滤波， 程控放大， 脉宽检测，
过零比较等电路组成。超声波收发脉冲的两个前沿的 差值即是超声波的传输时间。而接收传感器收到的是 正弦波， 其瞬时值和放大倍数有关， 如果采用通常的 幅度鉴别技术， 形成接收脉冲， 可能因为放大倍数的 差异或干扰带来测量误差或误判。因为干扰信号的幅 度可能也比较大， 但是宽度却是随机的。因此， 先对收 到的信号放大再进行脉冲鉴宽， 排除干扰， 然后进行 过零比较可以提高测量精度。另外， 软件编程时依据 输入的管经等参数进行计算， 给出超声波传输时间的 最小值， 在该时间之后才允许接收传感器接收信号， 这样可以消除该段时间内的干扰信号所带来的误判， 进一步提高测量精度； 第三， 因为每次测量时间很短， 流量短时不会出现很大的变化， 所以软件编程时可以 对多次测量值比较， 踢出相差很大的数值， 然后计算 出多次测量的平均值即是实际的流体流量。
超声波流量计原理时差法ppt课件.ppt
超声波流量计: 流体动力学
GE Panametrics
雷诺 # R e = V ID
例：在 20 oC时, 水的运动粘度 =1×10-6, 假定管子内径 10”， 若管内水的流速 V = 1 m/s，则 Re = 2.54×106 若管内水的流速 V = 10 m/s，则 Re = 25.4×106
v = 1010-6
v = 10010-6
Re = 0.15106 Re = 0.015106
kRe = 0.932
kRe = 0.922
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
超声波流量计原理：时差法
GE Panametrics
流体流速
V
C2 2L
×Δt
体积流量测定
Q = 流速 横截面积 Q = VA
kRe = 0.9323，（速度为0.5m/s时， kRe = 0.9295)
附加误差：1.86%，（0.5m/s时，附加误差：2.17% ）
该附加误差随工况变化而变化。但多数厂家在标定时只有K修正系数
XMT868 自动计算双重修正。
从使用情况来看，闭胸式的使用比较 广泛。 敞开式 盾构之 中有挤 压式盾 构、全 部敞开 式盾构 ，但在 近些年 的城市 地下工 程施工 中已很 少使用 ，在此 不再说 明。
超声波流量计: 声阻抗
GE Panametrics
_时差法_超声波流量计的应用
在进行气体测量时,由于气体偏离(P= 101325Pa,t=20℃)标准状态,需要把气体换算成标准状态,以消除误差。
计算公式F b=101325×(273115+t)(101325+P)(273115+20)(9)式中 P——工作状态下的压力,Pa; t——工作状态下的温度,℃。
215 振动引起的误差仪表安装现场附近如果有压缩机等设备时会引起管道的振动。
由于振动引起的旋涡将加在一起,引起测量值比真实值偏高,振动越强偏高越大。
在安装时在仪表前后加装两个防振支柱,以减小振动的影响。
216 电磁干扰引起的误差电磁波对涡街流量计的干扰,主要来源于安装地点的电磁场,这种干扰较强时会出现无流量而计数,给测量带来误差使测量值偏大。
在距大型变配电站或仪表上部有电线时,时常发生。
当仪表上部有电线,而刮风时使电线抖动,仪表内部线路切割磁力线而产生感应现象使仪表发生误动作。
这种干扰可采用屏蔽线接地而解决,我厂自供煤气站安装一插入式涡街流量计,1998年7月份发现夜间停供煤气时,仪表有跳数现象。
原来在仪表安装现场有一高压电线与仪表电线平行,现场分析认为是高压线引起的电磁干扰,对仪表与传感器采用屏蔽电缆,仪表与传感器接地线采用同一接地点,以消除跨步电压,问题得以解决。
涡街流量计是一种新型流量计。
在工业现场会有各种因素影响仪表的准确度。
在实际应用中最好能进行现场标定。
若标定有误差应消除时,采用修正仪表K值的方法,最实际、最方便;在应用中合理选型,保证下限流速是关键所在;从日常维护出发选用插入式结构更便于经常清洗探头,以保证仪表的准确度;合理安装、消除电磁干扰和振动也是仪表正常使用的条件。
(收稿日期:1998-12-11)“时差法”超声波流量计的应用杨秀红 余国强(山西铝厂 河津 043300)摘 要 根据超声波流量计的现场安装和实际使用情况,对超声波流量计的计量原理、现场安装及其所具有的优点做了相应的介绍。
关键词 流量计 探头 流体 山西铝厂是生产氧化铝的大型企业,年设计能力为120万t。
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sin 0
C0
sin 1
C1
sin
C
C sin 0 arcsin( ) C0
C 0 和 0为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。 这样就可以通过修正后的C对θ进行修正了。
四、总体设计
换能器安装
本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、 接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断 面分布不均匀的误差，
3、噪声法 4、相关法
三、时差法原理
流量
单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流 量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为 体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单 位为kg/s。
Q v S
超声波特性
超声波通常指频率高于20KHz的机 械波，它可以在气体、液体和固体 中传播。我们只以水为介质进行分 析。
2、入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入 射时在管壁及流体界面处都会发生折射，为提高探头接收信号的选择 性，一般选择入射角位于第一临界角和第二临界角之间，以保证仅一 束超声波被探头接收。若管道为钢管，探头用有机玻璃作为声导，一 般入射角选取28.7°～60°，我们选取入射角为45°。
从单片机选取
从单片机是信号采集及控制电路的核心，它既要接收主单片机发来的命 令，使测量模块的各部分协调工作，同时又要向主单片机回送测量数据 和该部分的状态信息。考虑到性价比，我们选择了ATMEL公司的 AT89C51，它是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，其指令系统与 8051完全兼容。 外围电路采用74LS245驱动74LS196计数器计数。 74LS245是我们常用的芯片，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向 传输数据。既可以输出，也可以输入数据。 74ls196是 二 - 五 - 十进制计数器（可预置）。采用多片级联增加计数 范围。
超声换能器的结构及原理当在 Nhomakorabea声换能器的两电极施加 脉冲信号时，压电晶片就会发生共 振，并带动谐振子振动，并推动周 围介质振动，从而产生超声波。相 反，电极间未加电压，则当共振板 接收到回波信号时，由逆压电效应 ，将压迫两压电晶片振动，从而将 机械能转换为电信号，此时的传感 器就成了超声波接收器。
时差法
信号处理及人机接口电路
用ATMEL的89C52单片机作为该部分的核心。89C52是一款8位的单片机，程 序和数据线为16位，即可寻址64K的程序和数据空间，它内部集成了256Bit的 RAM和8K的ROM。
数据存储
超声波流量计作为仪表，必须需要及时的对测量结果流量或者流速的数据进行 存储，还要存储流量计的各种参数，选用Flash存储器AT29C010A芯片作为本 系统的存储器。AT29C010A是一种5V在线闪速可电擦除的存储器，具有掉电 保护功能，具有大容量、小扇区，操作速度快，电路设计灵活，无需在数据写 入前进行预擦除等优点。
特点：
①可作非接触测量 ②适用于大型圆形管道和矩形管道 ③对介质几乎无要求
二、超声波流量计分类
1、多普勒法 多普勒效应
多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间 的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。
u sin f1 f0(1 ) C
u sin f2 f1(1 ) C
键盘电路
时钟电路
时钟电路是提供系统时钟的，而且为了进行流量的计算，单片机必须定时 的从单片机中读取流速，以进行累计流量的计算，考虑到掉电的原因，不 能使用89C52内部的定时器，因此，我们选用DS12887实时时钟芯片。 能在断电情况下运行10年以上不丢失数据。
液晶显示电路
大多数的单片机系统常采用以下三种显示器：CRT屏幕显示器、LED七段 显示器或液晶显示器。 本系统采用液晶显示屏MGSL-240128T进行流量计各种参数、流速、流 量、累计流量、工作状态等的显示。
主单片机软件设计
从单片机部分软件设计
六、实验研究
时差法超声波流量计的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关， 所以，在完成主体硬件软件设计后，我们对从单片机部分的时间测量部分 进行了试验性验证。 静止的水中，超声波的顺、逆流传播时间应该是相等的，即应该存在ts=tr, 也就是△t＝0。
实验结果
我们改变换能器T1、T2之间距离L，分别测量了距离为20cm、25cm、 30cm、50cm、80cm、100cm时ts和tr的测量值，每个距离记录五组数 据。（ts、tr、△t单位均为μs；温度为30℃）
结果分析 从实验的结果来看st与nt不是完全相等，差值在0～2μs之间，这是因为噪声的 存在，包括电路的延迟、以及系统硬件性能等造成的。在测量中，最大的相对 误差e为0.2％，远小于1％。所以，实验结果表明本设计在超声波传播时间的 测量精度上已经达到了我们的设计要求。
ts
t0(i ) Nt1
i 1
N
tr
' t 0(i ) Nt2
N
i 1
tr ts t (t2 t1 ) N
系统硬件框图
主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。
五、硬件、软件设计
超声波换能器的选择 1、频率：用于水流量测量时，超声波频率范围一般为0.5MHz～2MHz。 超声波的频率越高，分辨力也越好。但是对于同一材料来说，超声波 在传播过程中的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2 次方成正比，所以频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设 计的困难。我们选用中心频率为1MHz的探头。
A/D转换器
A/D转换器选用TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼 近模数转换器，有11个模拟输入通道，内部固有的采样与保持，在整个 温度范围内有较小的转换误差。TLC1543是美国TI公司生产的采用串行 通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可 广泛应用于各种数据采集系统。经过A/D转换器得到的信号峰值电压数 值通过串口送到微处理器保存起来。
时差法超声波流量计
1 2 3 4 5 6
概述及超声波流量计简介 超声波流量计分类 时差法原理 总体设计 硬件、软件设计 实验研究
目
录
一、概述及超声波流量计简介
自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部 分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个 领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不 断加强。 我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从 国外进口。目前我国的流量装置方面，与国际水平仍存在较大差距，现有 产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求。 超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量 流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大 小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被 认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统 中被广泛应用。 随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波 流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。ARC(Auotmation Research Corp)2001年给出2001-2005年超声波流量计的年复合增长率（ CompoundAnnualGrowthRate,CARG）为10.5,远远高于其它流量计的增 长率。
时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存 在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时 间的差异就可以得出流体的流速。
d / cos t1 t0 C v sin
d / cos t2 t0 C v sin
2dv tan 2dv tan t t2 t1 2 2 2 C v sin C2
测时原理
假如所测管径为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度1450m/s；发 射角θ为45°。 当流体流速为v=1m/s时： t1＝97.484μs，t2＝97.579μs， △t＝95ns。如果要求系统测量精度为1％，则测量分辨率至少应达到1ns，那 么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时。这样高频率时钟电路和计数 电路都难以实现。
u sin 2 2u sin f2 f0(1 ) f0(1 ) C C
(f1 f2 ) C u 2f1 sin
2、波束偏移法
波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移 角来确定流体流速的。
流速越大，偏移角越大，而两 接收器收到的信号强度差值也越 大，因 此测出两接收器的信号强 度差值可确定流体的流速。波束 偏移法用于测量准确度要求不高 的高速流体流量测量。
2d / cos t1 C v sin 2d / cos t2 C v sin
v
C2
4d tan
t
C v sin
2d / cos
t1
C v sin
2d / cos
t2
2d( t2 t1 ) v t1t2 sin 2
主从单片机通信连接
采用总线方式连接主从单片机，采用总线方式实现双CPU系统又可分为 串行和并行总线两种，串行总线连接简单，数据传送速度很慢，只适用 于相互间交换数据不多的系统；而使用并行总线传输数据的速度比串行 方式要快得多，只是要占用单片机的一个并行口，作为并行通信总线， 在本设计中采用并行总线方式。
t
2dv tan
C2
C2
2d tan t
v
Q
d2
4
v
流速分布修正
2n v K 2n 1 2n 1 流量修正系数K 2n