智能化超声波水流量计硬件设计与制作

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1、智能化超声波水流量计硬件设计与制作首先说明了时差法超声波流量计的工作原理、超声波传感器的特性、超声波信号检测及测量控制原理，分析了流量计误差来源和测量精度。简述了超声波流量计的总体设计和特点，并分析了课题的难点问题。接着重点介绍了流量计主机和流量变送器的研制，流量计主机主要有控制显示和键盘工作、系统参数设置存储、计算流量和累计流量、对流速和流量数据进行可靠性检验、控制输入输出功熊帮出错告警功能等，主枧设计的特点主要是采用并行处理器件提高硬件的访问速度、图形点阵LCD显示和多键盘使操作更简便、大容量闪速存储器可以存储参数和数据、高精度

2、实时时钟作为系统时钟及双串口以提高通讯速度。流量变送器的主要功能有传感器驱动、信号检测、自动增益控制、测量传播时间和声路切换等功能，在其研制中为了提高测量精度和可靠性着重解决了以下几个问题：(1)采用高速高可靠性cPLD器件，利用独特的逻辑分析方法使计时精度达到10纳秒以下。(2)在检测控制电路中用cPLD代替分立器件，采用信号过+o．2伏作为有效信号，同时增加信号有效性判断，提高测量的可靠性。(3)采用自动增益控制，即信号的峰值电压经A／D变为数字信号送给单片机，再通过D／A和电压调节电路调节增益控制电压，实现测量信号的自动增益控

3、制。(4)传感器驱动电路采用高耐压、高速度的场效应晶体管，同时增强门极驱动，保证传感器的发射功率。(5)将流量变送器电源进行分离，给单片机和逻辑控制部分单独使用一组电源，并使传感器的发射和接收电路完全隔离，降低电源及发射电路的干扰。实验测量结果表明，经过改进的超声波流量计工作稳定可靠、使用方便，传播时间的测量误差不超过10纳秒。通过对测量误差的分析和测量精度的计算，说明本超声波流量计达到了设计要求。关键词：超声波流量计时差法自动增益控制信号检测传播时间一超声波流量计原理超声波一般是指频率高于20KHz的声波，一般来说，人耳是听不见的

4、。在自然界中，超声波是普遍存在的，而且得到了广泛应用。如超声清洗、超声焊接、超声探伤、超声诊断、超声测距等，这里是利用超声波来测量液位和流速，进而计算出流量。1.1时差法超声波流量计测量原理超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且用于大管径、非导电性、抗腐蚀性的液体或气体流量的测量。超声波的发射和接收都要用换能器(传感器)，通常把发射和接收传感器做成完全相同的材质和结构，可以互换使用或进行双向收发。超声波流量计实现的典型方法有时差法和多普勒法，本课题选择时差法来测量。1.1.

5、1单声路测量原理在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个传感器，使其轴线重合在一条斜线上，如图2．1所示啪3。当传感器A发射，B接收时，声波基本上顺流传播，速度快，时间短，可写为（1.1）B发射而A接收时，逆流传播，速度慢，时间长，可写为（1.2）以上两式中的上为两传感器间的传播距离(单位是m)，C为超声波在静止流体中的传播速度(单位是m／s)，V为被测流体的平均流速(单位是m／s)。两个方向的传播时f．q差△t=t1-t2，为（1.3）因v<

6、求出流速，进而得到流量。一般液体中的声速往往在1500m／s左右，而流速只有每秒几米，如要求流速测量的精确度达到05％，则对声速测量的精确度需为10-5～10-6数量级，由于声速受温度的影响较大，声速的变化直接影响到测量的精度，所以直接利用式(1.4)不易实现精确的流量测量。因此将式(1.1)改写为（1.5）式(1.2)改写为（1.6）两式相减，得（1.7）式(1．7)中流速V为流体沿声路方向的平均流速，而我们要测量的实际流速是沿管道或明渠方向的流速，它为沿声路方向流速V与垂直于声路方向流速的合成量，因此，实际流速v为（1.8）式中

7、为声路与流体流向间的夹角即声路角。此式中的L/2为常数，只要测出顺流和逆流传播时间t1和t2就能求出v，进而得到流量，这就避免了求声速C的困难。这种方法不受温度的影响，可以实现精确测量。二超声波流量计总体设计本课题研究的超声波流量计是采用时差法测量原理，通过调研并查阅了国内外有关文献，分析了多个厂家的产品，确定研制具有国内外先进水平的测量大流量的仪器。本超声波流量计要求具有测量精度高、操作简便、界面友好、安装调试简单、成本低、可靠性高等特点。在系统设计时，将超声波流量计分为流量计主机和流量变送器两部分，这样一台主机可以同时测量多条管

8、道的流量，也可方便系统的扩充，流量变送器可以分别安装，也可以和主机安装在一起。另外，增加了计算机处理的功能，使系统功能更强，操作更简便。2.1超声波流量计系统概述超声波流量计系统包括流量计主机、流量变送器和计算机，如图3．1所示。本系