单通道时差法超声流量计研发(硬件)【文献综述】

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电气工程与自动化

单通道时差法超声流量计研发(硬件）超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。利用超声波测定流速、流量的技术不仅应用在工业生产方面，而且在医疗、海洋观测及各种计量测试中都有着广泛的应用。1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“鸣环”时差测量法，用于航空燃料油流量的测量。

20世纪70年代中后期，基于大规模集成电路技术的飞速发展，使得超声波流量计的稳定性和可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法。同一时期，前苏联科技工作者提出了流量修正系数及其理想状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来。

进入80年代中期，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法和频差法两种方法，由于电子技术及其相关理论的飞速发展，超声波流量计的种类越来越多，又出现了射束位移法、多普勒法、相关法及噪声法等。到了80年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量计向高性能、智能化方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能够设计出友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操作和使用。单片机在超声波流量计中的应用，使超声波流量计开始真正进入工业测量领域。

最近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，新型探头材料与工艺的研究、声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，形成了迅猛发展的势头。

超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测量，其测量范围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米，管径从小于1厘米到几米，工作温度从低温(如液态氧、液化天然气)到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到几百个大气压，其响应时间从几个毫秒(引擎控制)到24小时(监控管道流量)，在医学上

可以测量血管流量，还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。和传统的流量计，如差压流量计、转子流量计、文丘里流量计、涡街流量计等相比，超声波流量计有结构简单，安装、使用和维护方便；可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量；无压力损失，部件不受流体腐蚀和磨损；成本和制造难度不随口径的增加而增加，尤其适合大、中口径管道的测量的优点。

目前生产最多、应用范围最广泛的是时差法超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体，在自来水公司和工业用水领域得到广泛应用 。此外它也可以测量杂质含量不高（杂质含量小于10g/L ，粒径小于1mm ）的均匀流体,如污水等介质的流量，而且精度可达±1.5% 。应用表明,选用时差法超声波流量计，对相应流体的测量都可以达到满意的效果。

单声道时差法超声流量计的测量原理如下：

在管道的两侧安装两个换能器，两换能器轴线相交于管道轴线的安装角为θ，管径为D ，两个换能器之间的距离为L ，当超声波顺流传播时，有

（1）

当超声波逆流时，有 (2)

以上两式中，c 为超声波在静止流体中的传播速度，v 为被测流体的平均流速。由(1)、

(2)式得 (3) 则流速为 （4） 只要测出顺流和逆流传播时间t 1 和 t 2 就能求出流速v ， 进而得到流量， 这就避免了求声速c 的困难。这种方法不受温度的影响， 可以实现精确测量。

超声波传播时间测量：

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。只有在既能稳定、准确地测量传播时间又能有效地对顺、逆流传播时差进行计算的前提下，才谈得上测量精度。所谓超声波传播的时间，应该是指从发射信号的开始时间起，到接收换能器接收波形的起振点止，两者之间的这段时间在本课题中采用TDC-GP2计时芯片，它具有高精度的时间测量单元。单通道时，GP2典型分辨率可达50ps ，测量范围 500ns —4ms 。

超声波信号处理方法：

1

sin t L v c =⋅+θ2cos t L v c =⋅-θ2

11221)(cos 2t t t t L t L t L v ⋅-=-=⋅θθcos 2)(2

112t t t t L v -=

在时差式超声流量计中，最常用的信号处理方法为阈值法我们知道在真正的超声波信号来临之前，接收换能器已经接收到了一些干扰信号，如果阐值电压设置过低，干扰信号的幅值大于该电压值时，一样会产生触发电平，这样便被TDC认为是STOP信号到来，引起误触发停止计时。而通过使能窗的控制，在所选的过零点到来之前的任何干扰对整个系统都不再造成影响，或者说当在预期时间以外的干扰脉冲到达芯片通道的时候，芯片将不会把干扰信号作为传感器的回波来进行测量，这样对于过零点的确定提供了极大的帮助，在设计接收回波电路的时候，大大简化了其信号处理过程。因此，选用使能窗与过零检测技术配合使用的接收信号处理方法。

采用MSP430单片机作为整个超声流量计系统的CPU，由于MSP430单片机是以超低功耗作为特点，因此，整个超声流量计可以使用3.6V的电池作为工作电源，且可保证5年以上的正常工作。这样，不仅降低了成本，更使超声流量计的适应性得到极大的提高。

超声流量计近几十年的迅速兴起在于其相对传统流量计(如孔板、涡轮等)具有非接触式测量、无可动部件、维护方便、适于大管径测量等优势。超声流量测量现已广泛应用于工业、医学和民用等多个领域,与此相关的研究也逐年增加。国外每隔一段时间就会出现一些综述,评述其时超声流量测量的技术进展,国内也有不少文献介绍超声流量测量原理及应用。因此，超声流量计的发展前景还是很光明的，对超声流量计的研究与应用对于社会经济发展也是具有促进作用的。

超声流量计的发展趋势：

近些年来超声流量计的研究与发展主要集中在以下几个方面：对更精确的时间测量方法的研究；对适用于多种流体（包括气体、液体等）计量的超声流量计的研究；对超声流量计的数据处理方法研究以及流体状态的分析；对超声流量计的智能化、多功能化和低功耗等方面的研究等。从近些年来国内外对超声流量计研究的热点分析，可以看出超声流量计的研究将向更高精度、更高的稳定性、更加智能化和更低功耗的方向发展参考文献：

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