上海自动化仪表有限公司详述超声波流量计的研究与设计

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2019-03-02 08:56:59【小中大】

摘要:流量仪表作为计量物质量变的工具，在各行各业都发挥着重要的作用。上海自动化仪表有限公司在本文中主要介绍本公司研发的超声波流量计的设计方法。该超声波流量计具有士1%的测量精度。

1.引言

在人们日常生活和工业生产过程自动化中，流量是需要经常测量和控制的参数之一。需要检测的流体媒质的种类不断增多，检测的对象从层流到紊流，从单相到多相流，工作条件有各种气液种类、各种温度变化、压强变化等等。人们根据不同测量对象的物理性质，利用不同的物理原理和规律，设计制造出各种类型的流量测量仪表，应用于油、气、水等资源的计量和工艺流程的控制中，实现了工业生产过程中的自动检测和控制。在各种流量测量仪表中，超声波流量计正凭借其自身的优势成为一种日益受到人们关注、发展势头强劲的技术。

相比于传统的接触式流量计，超声波流量计具有以下不可比拟的优点:1.属于非接触式测量，测量元件可以安装在管道外壁，基本上不干扰流畅，无压力损失，可以测得瞬时流速又不影响系统的正常运行。在这方而相对于压差流量计、涡街流量计、涡轮流量计和容积式流量计，超声波流量计具有明显优势。2.通用性好，同一台流量计可以测量不同口径的管道，只要调整安装方法即可。3.适应性强，使用范围广。它几乎不受流体物理性质的限制和影响，只要是超声波能够传播的流体即可，能够应用于流体是高温、有放射性的场合。4.精度高，目前单通道的精度可以达到士1%，多通道可以达到士(0.5%o 5，测量范围宽，大多数超声波流量计可以测量的液体流速范围是0.1m/s-10m/s。

超声波流量计的优点已经逐渐被人们所认识，应用场合也不断扩大，如石油，水处理特别是城市的污水处理，制浆和造纸行业，制药和化工行业，食品和饮料加工行业等。

2.超声波流量计测量原理与方法

目前超声波流量计测量方法主要分为:时差法、多普勒法和互相关法。其中时差法是使用最为普遍的，本设计采用的也是时差法。其测量原理如下:

图1 时差法原理

超声波是一种机械波，其在流体中顺流和逆流的传播速度是不同的，川页流体方向传播时速度加快，时间变短;逆流体方向传播时速度减慢，时间变长。时差法通过测量这个时间差，计算出管道流体的流速，进而在时间上进行积分运算求得累计流量。时差法的关键在于准确测定超声波在两个换能器之间的传播时间，适合于管道流体不含杂质或杂质较少的场合。其原理如图1所示。记:

t1—顺流传播时间

t2—逆流传播时间

C—声速

—传播路径和管道轴线夹角

L—传播路径长

V—流体流速

D—管道直径

有以下式子:

联立((1)、(2)式可得:

其中L、D等参数都是管道和传感器安装的几何尺寸参数，可以预先输入仪表，仪表的关键任务在于测量t1和t2。对于单通道超声波流量计，根据(3)式求得的V只是超声波传播路径上的线平均流速而非管道截面的平均流速，需要乘以一个修正系数k将线平均流速折算为截面平均流速。通常的方式是根据流体动力学模型计算出k值，再通过实验进行校正。本设计是基于时差法的单通道超声波流量计。

3.超声波流量计设计方案

本设计的控$11核心是PC/ 104嵌入式PC模块。嵌入式PC模块广泛用于各种高可靠的智能设备中，其超小尺寸、超低功耗、宽温特性、单+5V供电，以及一系列针对嵌入式应用的功能扩展，使工程师可以将它视为一个超级芯片。

整个仪表硬件系统框图如图2所示。

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