流量測量的主要任務(wù)有兩類：一是為流體物資貿(mào)易核算儲(chǔ)運(yùn)管理和污水廢氣排放控制的總量計(jì)量；二是為流程工業(yè)提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低成本以及環(huán)境保護(hù)等進(jìn)行必要的流量檢測和控制。隨著社會(huì)迅速發(fā)展，在流程工業(yè)中檢測和控制溫度、流量、壓力、物位和成分分析等參數(shù)儀表中，氣體流量儀表占很大的比重。近年來，隨著西氣東輸管道工程全面啟動(dòng)，在天然氣生產(chǎn)、輸送、交易、分配和使用過程中，由于供需雙方經(jīng)濟(jì)利益或用戶為謀取最佳使用效果，尤其是對于大口徑氣體流量測量提出了新要求。為了適應(yīng)氣體流量測量不斷提高的標(biāo)準(zhǔn)，將超聲波技術(shù)應(yīng)用到氣體流量的檢測中，一種新型流量計(jì)——超聲波氣體流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
超聲波在流動(dòng)的氣體中傳播時(shí)，可以載上氣體流速的信息。因此，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出氣體的流速，從而轉(zhuǎn)換成流量。超聲波氣體流量計(jì)即是用來測量氣體流量的。其原理是利用超聲波的傳播速度隨流速變化而發(fā)生變化的原理來測量的氣體流速的流量計(jì)。超聲波氣體流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路、流量顯示和計(jì)算系統(tǒng)組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換成超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測氣體，接收換能器接收到超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供顯示和計(jì)算，為此實(shí)現(xiàn)了流量的檢測顯示。頻差法是測量在順流和逆流超聲波脈沖的循環(huán)頻率差獲得流體流速、流量值的方法[1-2]。
1.1 系統(tǒng)簡介
目前，國內(nèi)外超聲波流量計(jì)有美國ORE公司的7610系列流量計(jì)、我國唐山匯中儀表公司的超聲波流量計(jì)等。美國ORE公司的流量計(jì)精度較高，穩(wěn)定性能好，使用范圍寬，但是存在操作不方便、安裝困難，且為全英文界面、服務(wù)周期長、價(jià)格高昂等缺點(diǎn)。目前我國的流量計(jì)雖然克服了其某些缺點(diǎn)，但是精度和測量范圍卻無法達(dá)到國外的指標(biāo)。
針對以上問題，本系統(tǒng)主要通過頻差法來測量氣體流量，通過應(yīng)用TDC-GP2具有高精度進(jìn)行時(shí)間計(jì)量，應(yīng)用MSP430系列的微處理芯片，這兩款芯片的結(jié)合，制造出來的超聲波流量計(jì)。該流量計(jì)具有低功耗、低成本、使用方便、高精度、且將時(shí)間間隔的測量量化到65ps的精度，給超聲波流量計(jì)提供了較好的解決方案。
1.2 流速的測量算法
本文以頻差法對超聲波氣體流量計(jì)的基本測量原理做一簡單介紹。
超聲波氣體流量計(jì)的聲環(huán)回路如圖1所示，A、B為一對超聲波換能器，相互交替著作為發(fā)射器或接收器。其工作原理：一支換能器發(fā)出超聲波，另一支換能器接收到超聲波信號(hào)、經(jīng)過一定的信號(hào)處理后再次觸發(fā)發(fā)射器，這樣就形成了一個(gè)聲循環(huán)過程，這個(gè)循環(huán)頻率即為聲循環(huán)頻率。
圖1 頻差法流速測量原理圖
假定順流時(shí)聲循環(huán)頻率為f1，逆流時(shí)聲循環(huán)頻率為f2，聲循環(huán)頻率差為△f。忽略超聲波在換能器中傳播和電子電路等時(shí)間延遲因素，可得：
具體參數(shù)選擇為D=150mm，θ=45°，將此參數(shù)代入式（5），有：
（6）
以上公式中，V為氣體流速（m/s）；θ為超聲波傳播聲道與管中心線夾角；L為超聲波聲道的長度（m）；C為靜止空氣中超聲波傳播速度（m/s）。
由式（5）可知，氣體流速與頻率差成正比例關(guān)系，比例系數(shù)為，不受聲速因素的影響，測量結(jié)果也不會(huì)因溫度的變化而受到影響。
與其他的氣體流速測量方法相比（如時(shí)差法、相差法受氣體溫度影響，會(huì)給測量結(jié)果帶來一定誤差），頻差法不但不會(huì)因溫度影響而帶來系統(tǒng)測量誤差，而且計(jì)算公式簡單，氣體流速與頻率差呈線性關(guān)系。因此，在本系統(tǒng)中選用頻差法進(jìn)行氣體流速測量。
1.3 流量計(jì)算方程
通過上面分析可知，超聲波氣體流量計(jì)是測量沿聲道上的流體的平均流速值，即為管道直徑方向上的平均流速值。為了計(jì)算出通過管道的流量，必須先了解徑向平均流速與截面平均流速 兩者之間的關(guān)系。
在層流和紊流時(shí)，與之間的關(guān)系可以表示為：
層流1： （7）
紊流2： （8）
式中，n為雷諾數(shù)Re相關(guān)的系數(shù)。在工程實(shí)用中可以把紊流狀態(tài)下的與之間的關(guān)系用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示：
Re>105時(shí)：
（9）
Re<105時(shí)：
（10）
式中，K為同一流量與的比值，為超聲波氣體流量計(jì)的流量修正系數(shù)。由式（6）、（9）和（10）可得頻差法超聲波氣體流量計(jì)的流量方程如下：
（11）
1.4 超聲波傳感器的選擇
超聲波已經(jīng)成功應(yīng)用于液體流量的測量，但是由于技術(shù)上的難題，使得在氣體流量測量上的應(yīng)用進(jìn)展緩慢。主要難題是：超聲波換能器材質(zhì)和氣體介質(zhì)特性阻抗相差很大，造成換能器接收和發(fā)射效率太低。
超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，作用各不相同，所以對超聲波傳感器的選擇也不盡相同。探傷用超聲波傳感器的傳輸距離短，分辨率高，發(fā)出超聲波頻率也較高，一般為幾兆到幾十兆；測距用超聲波傳感器的傳輸距離較長，對分辨率的要求相對較低，所以一般情況下測距用的傳感器振蕩頻率較低，一般在40kHz左右。氣體流量計(jì)中的聲道長度大于探傷聲道，但又小于超聲測距聲道，所以這兩種超聲波傳感器都不能應(yīng)用于測量氣體流量[3-4]。
選擇應(yīng)用于氣體流量測量的超聲波傳感器主要是對超聲波振蕩頻率的選擇。首先要考慮在最大的傳播距離內(nèi)，接收器能接收到足夠聲壓與強(qiáng)度的超聲波信號(hào)。其次還要考慮超聲波震動(dòng)因機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等對周圍環(huán)境的影響。從這兩個(gè)方面考慮，空氣中超聲波頻率越小越好，但是考慮到氣體流量的檢測精度，超聲頻率則越大越好，但太大的超聲頻率又將造成過大的信號(hào)能量衰減。將兩者折中考慮，應(yīng)用于氣體超聲波流量計(jì)的超聲波傳感器的振蕩頻率選擇在100kHz~200kHz的范圍內(nèi)最佳。
根據(jù)以上超聲波傳感器選擇原則，本系統(tǒng)選用了美國SensComp公司生產(chǎn)的壓電型超聲波傳感器120KHF25，其壓電晶片和增透模的設(shè)計(jì)使該傳感器更加適合在氣體中應(yīng)用[5]。
1.5 超聲波氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案
超聲波氣體流量計(jì)的超聲換能器發(fā)射及接收電路原理圖如圖2所示。圖2是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是整個(gè)電路的核心[6]，由TDC-GP2芯片的FIRE1和FIRE22個(gè)引腳完成發(fā)射、接收換能器的連接，發(fā)射與接收功能的轉(zhuǎn)換則是通過芯片SN74CBT1G125（單FET總線開關(guān)）控制，中間還有一些輔助芯片。
圖2 超聲波換能器發(fā)射與接收電路模塊
1.6 顯示及鍵盤輸入模塊
MCU、LCD和鍵盤控制模塊電路如圖3所示。顯示和鍵盤輸入模塊包括LCD顯示、鍵盤操作、485接口、多路電壓采樣、數(shù)據(jù)保存、電流輸出部分。本流量計(jì)選用帶看門狗功能的EEPROM存儲(chǔ)器，在軟件設(shè)計(jì)中對需要保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)保護(hù)處理，以確保每次數(shù)據(jù)的讀寫準(zhǔn)確無誤。主單片機(jī)在系統(tǒng)時(shí)間為單秒時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣和計(jì)算，為雙秒時(shí)刷新液晶顯示，同時(shí)各種參數(shù)可通過鍵盤進(jìn)行調(diào)整，但要注意參數(shù)應(yīng)與測量部分參數(shù)保持一致。485接口結(jié)合上位PC機(jī)通信軟件可以實(shí)現(xiàn)更為方便的監(jiān)控，特別是在LCD出現(xiàn)故障時(shí)亦能保證監(jiān)測流量。
圖3 MCU、LCD和鍵盤控制模塊
由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA輸入輸出接口，顯示及鍵盤輸入模塊可作為通用的儀表，如編寫不同的軟件可使其作為熱式、質(zhì)量等多種流量計(jì)的顯示部分，或是作為工業(yè)用溫度、壓力監(jiān)控儀表等。
采用頻差法設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)系統(tǒng)在提高測量精度的同時(shí)大大降低了功耗，是超聲波流量計(jì)的最佳選擇。應(yīng)用TDC-GP2芯片開發(fā)的系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、測量精度高、成本低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。已有廠商使用此芯片成功地進(jìn)行了超聲波流量計(jì)的研發(fā)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，頻差算法加上TDC-GP2為超聲波流量計(jì)及超聲波氣體流量計(jì)的性能提供了保障。
本型號(hào)超聲波氣體流量計(jì)是我們研制的新型產(chǎn)品，該流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）抗干擾能力好。能在復(fù)雜和惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作；（2）量程寬。管徑范圍為50~1500mm，可測流速范圍可達(dá)±30m/s；（3）測量精確度較高，可達(dá)1.5%；時(shí)間分辨率可達(dá)65ps；（4）適用范圍廣，可適用于不同溫度和壓力的多種氣體流量的測定。
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