时差法超声波流量计_2006_硕士论文-

重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要超声波流量计由于具有非接触式测量、测量范围宽、安装简便、以及特别适合大管径及危险性流体流量测量等优点，被供水、石油、化工、电力等部门广泛应用。然而，由于超声波流量计只是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多不完善的地方，比如成本较高、精度不够等，有必要对其加以改进和提高。本论文通过充分调研及查阅大量的文献资料，选择时差法超声波流量计为研究对象，对如何提高系统的精度及系统稳定性和可靠性问题进行了深入的理论研究，并设计了具体的硬件电路，主要工作及创新有：1.研究了几种超声波流量计特别是时差法超声波流量计的测量原理，对超声波在流体中的传播特性及超声波换能器进行了较深入的研究；根据流体力学及物理学的有关知识，对超声波流量计进行了修正，并给出了不同情况下流量修正系数的计算公式；2.针对传统时差法超声波流量计测量精度易受温度影响的问题，采用了改进型算法，在很大程度上避免了温度变化对测量精度的影响；介绍了几种常用提高超声波测时精度方法的同时，讨论并采用了超声波时差测量的新方法——多脉冲测量法的原理和应用；3.结合课题的实际情况，对时差法超声波流量计的硬件电路进行了详细的分析和设计，讨论了器件的选择、参数计算等技术问题，设计出了匹配性能良好的发射、接收电路；在信号调理上，除了常规的滤波电路外，还采用了自动增益放大电路来提高信号的可靠性；而且，采用主从单片机协同工作的方式，提高了系统的稳定性；在软件方面，给出了系统的软件流程图并较详细地叙述了算法的实现；4.针对流量计的工作环境，对流量计系统的抗干扰性进行了研究，并采取了相应的软、硬件措施；5.对造成超声波流量测量误差的各种因素进行了详细的分析、研究，并应用误差理论，对时差法超声波流量计的各种可能的误差进行了误差分配和合成；对硬件电路和软件进行了试验性的验证，给出了实验结果。关键词：超声波流量计，时差法，传播时间重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTUltrasonicflowmeterhasbeenwidelyusedinwaterworks,oilindustry,chemicalindustryandelectricpowerplantinvirtueofitsmanyadvantages,suchasnon-contact,widemeasurementscope,convenienceofinstallation,especiallyacceptableformeasurementoflargeflowandflowindangerousenvironment.However,theultrasonicflowmeterdevelopsjustsometenyears,andhassomedisadvantages,thusitisnecessarytomakemodificationandadvance.Afterdeepmarketinvestigationandmanyreferencesabouttheultrasonicflowmeter,wechoosetime-difference-typeultrasonicflowmeterforourstudyobjects.Thearticlemakesdeeptheoreticalresearchontheproblemofimprovingaccuracy,stabilityandreliability.Inaddition,itsuppliesthedesignsofcircuits.Generally,therearefivepartsasthefollowing:1.Expoudedtheprinciplesofsomeultrasonicflowmeter,especiallyaboutthetime-difference-typeultrasonicflowmeter;researchedthetransducerthepropagationcharacterofultrasonicinfluid.Thentheultrasonicflowmeterwascorrectedaccordingtothetheoryofhydromechanicsandphysics,andcalculationformulaeoftheflowrevisioncoefficientaregivenunderdifferentstate.2.Onaccountoftheproblemthattheaccuracyoftraditionalultrasonicflowmeteriseasilyinfluencedbytemperature,adoptanimprovedalgorithmwhichcanavoidtheinfluenceonaccuracybytemperaturevariationtosomeextent;introduceseveralmeansaboutprecisemeasurementonpropagatingtime,meanwhile,discussthetheoryandapplicationofabrandnewmeasurementmethod--themulti-beamsmethoddeeply.3.Takingthestudyintoconsideration,analyzeanddesignthehardwarecircuitofflowmeterindetail,discusssometechnicalmatterssuchaschipselectionandparameterscalculation,designabettermatchingemittingandreceivingcircuits,useroutinefiltercircuitandautomaticgaincontrolcircuittoadjustsignal;furthermore,withthehelpofdoubleMCU,theresistabilityofsystemtodisturbingisimprovedstrongly.Insoftware,thesoftflowchartofsystemandthedesignideaofthesystemaregiven.4.Consideringtheenvironmenttheultrasonicflowmeterworked,theanti-jammingoftheflowmetersystemarediscussed,andthecorrespondingmethodsofsoftandhardwareareadoptedtominishorremovetheinterfere.重庆大学硕士学位论文英文摘要III5.Analyzeandstudyvariouserrorsourcewhichappearinultrasonicflowmeterworkingenvironmentandininstallationprocess.Accordingtothedistributionprinciplewhichistostressmainerrors,composeallpossibleerrors.Keywords：UltrasonicFlowmeter,TimeDifferenceMethod,TravelTime.重庆大学硕士学位论文绪论11.绪论1.1流量计的发展概述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[1]。早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠引水中采用孔板测量流量。1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。1911～1912年,美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展[2]。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。为满足不同种类流体特性，不同流动状态下的流量计量问题，近30年来，先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计，电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。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，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面重庆大学硕士学位论文绪论2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，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平[1]。1.2超声波流量计概述1.2.1超声波流量计的发展和现状超声波流量计（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。在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。1931年，O.Rutten发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献[2]。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量[3]，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法的MAXSON流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量[4]，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广[5]。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术（PLL）的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层