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1、2006年第25卷第1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnology)47超声波气体流量测量系统的实现邱立存,王汝琳(中国矿业大学机电学院,北京100083)摘要:超声波气体流量计因为其具有许多优点,在工业上获得越来越广泛的应用。超声波气体流量测量需应用一种新的流量测量技术,因为超声气体流量计工作在噪声较强的场合,且信号微弱。超声波气体流量计信号不能用传统的方法检测,在此,数字平均技术及相关技术得到应用,数字平均技术可使信号得到加强,相关技术可使渡越时间测量
2、更精确,流量测量精度可达?2%。关键词:超声波气体流量计;数字平均;相关中图分类号:TH814文献标识码:A文章编号:1000-9787(2006)01-0047-03RealizationofultrasonicgasflowmeasurementsystemQIULi2cun,WANGRu2lin(SchofMechElct&InfoEngin,ChinaUniversityofMine&Technology,Beijing100083,China)Abstract:Ultrasonicgas
3、flowmetersareincreasinglybecomingacceptedforapplicationsinindustrynow.Thisisbecauseultrasonicgasflowmeterstechnologyhasmanyadvantages.Anewtechniqueofflowmeasurementisappliedinultrasonicgasflowmeter.Theultrasonicgasflowmetersoperateinthesurroundingswhe
4、renoiseisstrong,anditssignalisveryweak.Thesignalofultrasonicgasflowmeterscannotbedetectedbyconventionalmethod.Sodigitalaveragingandcorrelationtechniquesareapplied.Theaccuracyofultrasonicgasflowmeasurementcanreach?2%withthenewtechnique.Keywords:ultraso
5、nicgasflowmeter;digitalaveraging;correlation0引言超声波气体流量计是20世纪90年代中期才快速发展起来的新型流量测量技术,在发达国家正获得越来越广泛的应用。由于在传感器与气体之间的声阻抗不匹配,这导致接收信号微弱,且超声波气体流量计工作在有噪声环境中(如控制阀门产生的噪声),有时信号会淹没在噪声中,这就需要用更有效的传感器提高声阻抗匹配及更有效的信图1气体超声波流量计原理号处理技术。所以,超声波气体流量计的开发不能再用液Fig1Principleoful
6、trasonicgasflowflowmeter传播时间。由于气体的流动,t12要略小于t21。设L为两传体超声波流量计中使用的传统信号检测方法,必须采用新感器间直线距离,可得的方法,对于单声道测量系统流量的测量精度最高可以达[1]t=L,t=L,(1)到?1%,本系统精度要求为?2%。1221XX[2]c+VLc-VL1超声气体流量计原理在讨论信号检测原理之前,有必要先了解超声波渡越式中X为径向距离,m;c为气体声速,m/s;V为气体传播时间的测量方法。超声波气体流量计的原理相对简单,与速度,m
7、/s;L为声程长度,m。液体超声波流量计基本相同,其原理如图1。解气体速度V可得时差法超声波流量计主要是测量超声波脉冲信号从发L2t21-t12V=#.(2)射传感器发射后到接收传感器之间的渡越时间,渡越时间2Xt21t12解气体声速c可得t为从传感器1到传感器2顺流时的超声信号传播时间,12渡越时间t为超声信号由传感器2到传感器1逆流时的L#t21+t12.(3)21c=2t21t12收稿日期:2005-06-2148传感器与微系统第25卷由此通过测量X,L,t,t就可计算气体流速及声速。3测量
8、系统的实现1221无气体流动时的平均渡越时间是管道尺寸及声速的函超声气体流量测量系统框图如图2。在此,人机界面数。如果管道直径为300mm,在每一方向典型渡越时间在及对外接口用51系列单片机P89C668完成,而实施流量处毫秒数量级,当气体流动时,渡越时间之差非常微小,在低理要进行高速相关运算,采用DSP芯片TMS320C5402。系速时,也就在几个纳秒数量级,所以,渡越时间的精确测量统的关键技术在信号的采集及数据的处理。至关重要的。气体流量与管道内平均流量的关系为Q=VA,(4)
