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流量測(cè)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
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(guò)接收穿過(guò)流體的超聲波就可以檢測(cè)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)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(guò)被測(cè)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(cè)顯示。頻差法是測(cè)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(jiǎn)介
目前
,國(guó)內(nèi)外超聲波流量計(jì)有美國(guó)ORE公司的7610系列流量計(jì)、我國(guó)唐山匯中儀表公司的超聲波流量計(jì)等。美國(guó)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(zhǎng)、價(jià)格高昂等缺點(diǎn)。目前我國(guó)的流量計(jì)雖然克服了其某些缺點(diǎn),但是精度和測(cè)量范圍卻無(wú)法達(dá)到國(guó)外的指標(biāo)。針對(duì)以上問(wèn)題
,本系統(tǒng)主要通過(guò)頻差法來(lái)測(cè)量氣體流量,通過(guò)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(lái)的超聲波流量計(jì)1.2 流速的測(cè)量算法
本文以頻差法對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的基本測(cè)量原理做一簡(jiǎn)單介紹
超聲波氣體流量計(jì)的聲環(huán)回路如圖1所示,A
圖1 頻差法流速測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量方法相比(如時(shí)差法
、相差法受氣體溫度影響,會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定誤差),頻差法不但不會(huì)因溫度影響而帶來(lái)系統(tǒng)測(cè)量誤差1.3 流量計(jì)算方程
通過(guò)上面分析可知
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
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)
(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(cè)量,但是由于技術(shù)上的難題
超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛
選擇應(yīng)用于氣體流量測(cè)量的超聲波傳感器主要是對(duì)超聲波振蕩頻率的選擇
根據(jù)以上超聲波傳感器選擇原則,本系統(tǒng)選用了美國(guó)SensComp公司生產(chǎn)的壓電型超聲波傳感器120KHF25
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 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
圖3 MCU
由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA輸入輸出接口
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(cè)量精度的同時(shí)大大降低了功耗
本型號(hào)超聲波氣體流量計(jì)是我們研制的新型產(chǎn)品
參考文獻(xiàn)
[1]張濤.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)(上冊(cè))[M].天津:天津大學(xué)自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)教研室