專利名稱：連續(xù)超聲波流量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種單片微機(jī)控制的高精度、全量程測(cè)量流體流量的超聲波流量?jī)x。
現(xiàn)有的超聲波測(cè)量流體流量的方法有時(shí)差法、相差法、頻差法、波束位移法、多普勒法、流體切變測(cè)量法等。其共同特點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量流速，來(lái)測(cè)量體積流量。時(shí)差法量程的上限不受限制，但不能測(cè)量低速流體的流量，且受溫度變化的影響，測(cè)量靈敏度低。相差法量程的下限可以很低，但不能測(cè)量高速流體的流量，且受溫度變化的影響。頻差法基本上與聲速無(wú)關(guān)，不受溫度的影響，但不能測(cè)量低速流體的流量。多普勒法僅適用于多相流體流量的測(cè)量，流速與聲速有關(guān)，且隨溫度變化，不能測(cè)量低速流體的流量，不適用于單相流體流量的測(cè)量。以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在使用上受到限制。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種高精度、全量程，不受流體溫度影響的連續(xù)超聲波流量?jī)x。能適用于各種介質(zhì)；能測(cè)量超低流速、超高流速流體的流量；能測(cè)量高溫、高壓、腐蝕性流體流量的一種超聲波流量?jī)x。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下方案沿流體流動(dòng)方向安置三支超聲換能器，換能器(11)發(fā)出的超聲波，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳輸分別被換能器(12)和(13)所接收。設(shè)換能器(12)接收信號(hào)相對(duì)于換能器(11)發(fā)射信號(hào)的相位為φA，換能器(13)接收信號(hào)相對(duì)于換能器(11)發(fā)射信號(hào)的相位為φB，則流速U=K(1φA-1φB)]]>。由于φA與逆向流速U相關(guān)，φB與順向流速U相關(guān)，從而消去聲速，克服了影響聲速的溫度、介質(zhì)種類等因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。由于現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)波形參數(shù)測(cè)量精度很高，所以流速U測(cè)量量程的下限很低，分辨率(即靈敏度)很高，可達(dá)到1mm·s-1以下。為擴(kuò)展流量測(cè)量范圍的上限，特對(duì)連續(xù)超聲波進(jìn)行編碼，通過(guò)編碼識(shí)別超聲波在流體中傳輸產(chǎn)生波參數(shù)變化而獲得的流量信息。以發(fā)射信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，分別與上游接收換能器和下游接收換能器所接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，檢出流量信息，使量程上限達(dá)到100m·s-1以上。并以此克服流體溫度或其它特性變化引起聲速變化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。
改變換能器的工作頻率，就能適應(yīng)各種流體，保證連續(xù)超聲波能在該種流體中傳輸。對(duì)多泡流體和含顆粒尺寸較大的多相流體對(duì)連續(xù)超聲波的信號(hào)衰減，采用大環(huán)路、高dB值、不失真自動(dòng)增益控制電路，克服了信號(hào)衰減的影響。
本實(shí)用新型提供的連續(xù)超聲波流量?jī)x，是由電源穩(wěn)壓板(1)(8)、電源變壓器(2)(7)、模擬板(3)(4)、數(shù)字板(5)(6)、鍵盤顯示板(9)(10)及換能器(11)(12)(13)組成。超聲換能器的安裝沿流速方向，呈“V”字型安裝[(圖2-(14)]、或呈“X”字型安裝[(圖2-(15)]、或呈“一”字型安裝[圖2-(16)]。換能器的工作頻率可根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)選擇下列頻率20KHz、40KHz、60KHz、100KHz、250KHz、300KHz、500KHz和1MHz。換能器的并聯(lián)調(diào)諧電路為串聯(lián)RL電路。
本超聲波流量?jī)x是采用雙電源變壓器(2)、(7)和雙電源穩(wěn)壓電路(1)、(8)，即數(shù)字部分和模擬部分分別由不同電源供電。模擬部分(3)(4)與數(shù)字部分(5)(6)完全隔離，由光耦合器進(jìn)行信號(hào)耦合。采用8253進(jìn)行F/D變換，采用74LS74組成四分頻電路擴(kuò)展變換范圍；采用74LS157進(jìn)行信號(hào)選擇，實(shí)現(xiàn)8253的通道復(fù)用。采用MCS-51單片微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制，且有并聯(lián)輸出打印口，可與熱敏微型打印機(jī)或其它微型打印機(jī)接口。采用LED顯示器(或LCD顯示器)顯示結(jié)果。
與現(xiàn)有超聲波流量?jī)x相比，本實(shí)用新型具有下述特點(diǎn)(1)精度高、全量程、不受流體溫度影響；(2)適用于各種介質(zhì)液體、氣體；單相、多相；水性、油性以及高粘度流體流量的測(cè)量。但它不適用于不能傳播連續(xù)超聲波的流體；(3)能測(cè)量超低流速或超高流速流體的流量；(4)能測(cè)量多種相態(tài)流體、含大尺寸顆?；蚋吡６攘黧w的流量(5)能測(cè)量高溫、高壓、腐蝕性流體的流量(6)流量傳感器的壽命長(zhǎng)。


如下圖1．本裝置結(jié)構(gòu)安裝示意圖。(1)模擬電源穩(wěn)壓板，(2)模擬電源變壓器，(3)發(fā)射信號(hào)板，(4)接收信號(hào)板，(5)F/D變換板，(6)單片微機(jī)板，(7)數(shù)字電源變壓器，(8)數(shù)字電源穩(wěn)壓板，(9)鍵盤，(10)顯示器，(11)發(fā)射換能器，(12)上游接收換能器。(13)下游接收換能器。
圖2．換能器(11)(12)(13)的幾種安裝方式示意圖。(14)三換能器示意圖，適用于一般流體；(15)四換能器示意圖，適用于瞬變、多態(tài)流體；(16)小管徑示意圖，適用于直徑小于25mm的管徑。
圖3．超聲波發(fā)射信號(hào)板(3)的電原理圖。

—時(shí)鐘振蕩器，由74LS04和晶振構(gòu)成。產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)整形后送

—編碼器，由74LS265,161等構(gòu)成。MCS-51,CPU產(chǎn)生的編碼信號(hào)在編碼器中對(duì)

輸出信號(hào)編碼，然后送

—自動(dòng)增益控制電路，由5534構(gòu)成，其控制信號(hào)來(lái)自接收板。

—帶通濾波器，由592構(gòu)成。

—輸出功放電路，由5534構(gòu)成，其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器發(fā)射超聲波。
圖4．超聲波接收信號(hào)板(4)的電原理圖。接收換能器(12)輸出信號(hào)經(jīng)D1、D2組成的防阻塞電路后，進(jìn)入

—由5534組成的低噪聲前置放大器后，進(jìn)入

—由592構(gòu)成的帶通濾波器濾除干擾信號(hào)后，一路經(jīng)D3構(gòu)成的檢波電路和

—由356構(gòu)成的減法電路去控制發(fā)射放大器的增益，另一路輸入

—解碼譯碼器，其輸出信號(hào)經(jīng)

—由OP-07構(gòu)成的直流放大器放大后，送由331構(gòu)成的V/F變換電路

，進(jìn)行電壓/頻率變換，最后經(jīng)

—光耦隔離電路送F/D變換板。接收換能器(13)輸出信號(hào)變換與接收換能器(12)輸出信號(hào)變換順序相同。
下面簡(jiǎn)要說(shuō)明該儀器的測(cè)量操作過(guò)程·將流量傳感器短節(jié)串接在待測(cè)流體管道中，要求上游直管段長(zhǎng)度大于10倍短節(jié)長(zhǎng)度，下游直管段長(zhǎng)度大于5倍短節(jié)長(zhǎng)度。
·從儀器面板鍵盤輸入傳感器短節(jié)內(nèi)徑、待測(cè)流體的粘滯系數(shù)、流量累積時(shí)間間隔。
·按測(cè)量鍵，數(shù)秒種后，顯示器即顯示其瞬時(shí)流量值。
·若按流速鍵，則顯示流速值；按累計(jì)流量鍵顯示累計(jì)流量值。
該儀器在《水泥凝結(jié)過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置》中使用的主要參數(shù)指標(biāo)如下·流速范圍1cm·s-1～20m·s-1·流速分辨率3mm·s-1·誤差±0.1％·工作頻率250KHz·流道直徑10mm(無(wú)直管段)·流體特性腐蝕液、含少量氣泡·流體環(huán)境條件壓力、20MPa溫度、60℃。
權(quán)利要求1．一種連續(xù)超聲波流量?jī)x，是由電源穩(wěn)壓板(1)(8)、電源變壓器(2)(7)、模擬板(3)(4)、數(shù)字板(5)(6)、鍵盤顯示板(9)(10)及換能器(11)(12)(13)組成，其特征在于，沿流體流動(dòng)方向安置三支超聲波換能器，換能器(11)發(fā)出的超聲波，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳輸分別被接收器(12)、(13)所接收，兩接收器的信號(hào)分別由各自的模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字變換電路處理后送MCS-51單片微機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析，檢出流量信息，計(jì)算流量參數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)超聲波流量?jī)x，其特征在于，換能器(11)、(12)、(13)的安裝沿流速方向，呈“V”字型安裝，或呈“X”字型安裝，或呈“一”字型安裝(見(jiàn)圖2)，換能器的并聯(lián)調(diào)諧電路為串聯(lián)的RL電路。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量?jī)x，其特征在于，采用大環(huán)路、高dB值、不失真自動(dòng)增益控制電路控制超聲發(fā)射換能器的激勵(lì)電壓，采用無(wú)相移自動(dòng)增益控制電路控制接收信號(hào)電壓，以克服由于介質(zhì)聲特征的波動(dòng)引起的信號(hào)波動(dòng)所產(chǎn)生的檢出誤差。
專利摘要本實(shí)用新型是一種單片微機(jī)控制的高精度、全量程連續(xù)超聲波流量?jī)x。它是由電源、模擬、數(shù)字及換能器組成。其特點(diǎn)是對(duì)連續(xù)超聲波進(jìn)行編碼,通過(guò)它在流體中傳輸產(chǎn)生波參數(shù)變化獲取流量信息。沿流體流動(dòng)方向安置三支超聲換能器,換能器發(fā)出的超聲波,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳輸分別被接收器所接收,由微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制。它廣泛用于石油、化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥及水電領(lǐng)域的高低溫或高低壓流體的流量測(cè)量。其數(shù)據(jù)不受流體溫度和介質(zhì)特性的影響。
文檔編號(hào)G01F1/66GK2310311SQ9623391
公開(kāi)日1999年3月10日 申請(qǐng)日期1996年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月15日
發(fā)明者茍陽(yáng)明, 王斐, 茍曉彬 申請(qǐng)人:茍陽(yáng)明, 王斐, 茍曉彬