时差法在超声波气体流量计中的应用研究.pdf

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1、2013正仪表技术与传感器2013第7期InstrumentTechniqueandSensorNo．7时差法在超声波气体流量计中的应用研究王民意，钟新跃(长沙师范学校电子信息工程系，湖南长沙410100)摘要：为了提高小管径煤矿瓦斯抽采管道的气体流量测量精度，基于时差法测量原理设计了超声波气体流量计，采用一对40kHz的收发一体式超声波换能器作为发射和接收元件。以74HC00与非门设计的推挽式超声波驱动电路实现了低压驱动超声波换能器，并用集成红外遥控接收芯片CX20106A和单稳态触发器4013构成了信号调理电路，实现了对固定波形的稳定检测

2、。利用高精度的时间数字转换芯片TDC—GP21作为计时芯片，实现了极低风速的测量。实验测试表明：设计的硬件电路具有良好的性能，测量风速分辨力可以达到0．1m／s，提高了气体流量的测量精度。关键词：时差法测量；超声波气体流量计；硬件电路中图分类号：TB216文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)07—0026—03AppliedResearch0nTimeDifierenceMethodinUltrasonicGasFlowMeterWANGMin—yi，ZHONGXin·yue(ElectronicsInformationEn

3、gineeringDepartmentChangshaNormalCoHege，Changsha410100，China)Abstract：Inordertoimprovethemeasurementaccuracyofgasflowinthesmalldiametercoalminegasdrainagepipes，theultrasonicgasflowmeterbasedontimedifferencemethodwasdesignedwithonepairof40kHztransceiverintegratedultrasonictr

4、ansducerasthetransmittingandreceivingcomponents．TheNANDgatewasusedtomakeapush—pullultrasonicdrivecircuitwhichgotalow—voltagedriveultrasonictransducer，andthesignalconditioningcircuitwascomposedoftheinfraredremotecontrolreceiverCX20106Aandsingleshottrigger4013whichimplemented

5、thestabilityofthedetectionofthefixedwaveform．Thepreci-siontime—to-digitalconversionchipTDC—GP21asthetimerachievedthemeasurementofverylowwindspeed．Theexperimentsshowthatthehardwarecircuitpossessesagoodperformancewhosewindspeedresolutioncanreachlessthan0．1m／sandgreatlyimprove

6、theaccuracyofthegasflow．Keywords：timedifferencemethod；uhrasonicgasflowmeter；hardwarecircuit0引言瓦斯抽采管道的气体流量测量精度关系到整个煤矿的安全，一旦瓦斯浓度测量有偏差，导致风机不能正常排风工作，使矿井内的瓦斯气体慢慢积累，对煤矿安全造成极大的威胁。随着电子技术的发展，超声波流量计得到越来越多的重视。相比于其他几种流量计量仪表，如流体振动式流量计、涡轮流量计等，超声波流量计具有以下优点：适应性强，对测量介质要求极图1时差法超声波流量计工作原理为t：，

7、速度为C：，则顺流和逆流速度为：低；准确度高，不受环境影响；测量范围宽，量程比高。虽然超声波流量计已经在工业过程中得到了广泛应用，但是存在cl=c+YCOS0(1)测量精度不高的缺点，故采用基于时差法测量原理搭建了超声c2=c—YCOS0(2)波气体流量计测量系统。式中：V为管道中的流体速度；0为管轴线与声道之间的夹角。1时差法超声波气体流量计的测量原理顺流和逆流的传播时间分别为：时差法超声波流量检测技术是利用超声波在管道中顺流tl=高(3)方向和逆流方向的速度不同，在相同的传播距离上顺流传播时间和逆流传播时间存在时间差，而时间差和管道内的流

8、体速度z—(4)有关，因此只需要测量时间差就可以求出流体流速，进而求得式中D为管道直径。管道内的流体流量J。工作原理如图1所示。顺流和逆流传播的时间差△￡为：设超声