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
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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
超声换能器的结构及原理
当在超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
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
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。
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
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。