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便携式时差法小管径超声波液体流量计厂家|原理


文章日期:2017-10-17|阅读数:


摘要: 为了实现小管径、 小流量超声波液体流量检测, 研究了一种便携式时差法小管径超声波液体流量计。 流量计以高速数据采集和互相关数据处理技术为基础, 采用双处理器结构完成信号采样、 时差计算及人机交互, 解决了时差法小管径超声波液体流量检测过程中波形畸变、 噪声干扰、 时差测量、 探头安装等方面的问题。 

1、引言:
  超声波在流体中传播时将携带上流体信息, 通过对超声波信号的分析可以得到流体的流速、 流量。 根据检测的方式的不同, 超声波流量检测有传播速度差法、 多普勒法等不同类型, 而传播速度差法又可以分为时间差法、 相位差法和频率差法[1-2]。
  本文介绍了一种便携式时差法小管径超声波液体流量计, 该流量计以高速数据采集和互相关数据处理技术为基础, 采用双处理器结构完成信号采样、 时差计算及人机交互, 解决了时差法小管径超声波液体流量检测过程中波形畸变、 噪声干扰、 时差测量、 探头安装等方面的问题。
 
2、时间差法流量检测原理:
采用时间差法进行流量检测的原理如图 1 所示。
图 1	时间差法流量检测原理
图 1 时间差法流量检测原理
 假设静止液体中超声波的声速为 C, 流体的流速为 V。超声波沿顺流方向传播时速度为 C+Vcosθ, 沿逆流方向传播时速度为为 C-Vcosθ。 将距离为 L 的两个超声波换能器TR1、 TR2 置于管壁外, 设 TR1 发射 TR2 接收的传播时间为 t1, TR2 发射 TR1 接收的传播时间为 t2, 同时令 L1=L /
cosθ, 可以得到式 (1) 和式 (2)。
t1 = L1 / (C+Vcosθ) +tσ1 (1)
t2 = L1 / (C-Vcosθ) +tσ2 (2)
式 (1) 中的 tσ1 为 TR1 发射 TR2 接收时超声波两次穿过管壁的时间及电路延时, 式 (2) 中的 tσ21 为 TR2 发射TR1 接收时超声波两次穿过管壁的时间及电路延时 。 假设TR1 发射 TR2 接收与 TR2 发射 TR1 接收所存在的电路延时完全相同, 那么 t1 与 t2 之间的时间差 t 仅与液体流速对超声波传播速度的影响有关。 t1 与 t2 之间的时间差 t 可由式 (3) 进行计算。
t = 2LV / (C2-V2cos2θ) (3)
由于超声波在液体中的传输速度 C 要远大于液体在管道中的流动速度 V, 式 (3) 可以简化为式 (4) 的形式。
t ≈ 2LV / C2 (4)
 
由式 (4) 可知, 在超声波换能器安装距离 L 及液体类型已知的情况下, 可以由式 (5) 计算流速 V。
 
V ≈ t·C2 / (2L) (5)
 
3、系统结构原理:
 本文介绍的便携式时差法小管径超声波液体流量计的结构原理如图 2 所示。
 系统采用双处理器结构, 处理器 MCU1 负责超声波信号发射、 采集时序控制及顺、 逆流传播时间差计算, 处理器 MCU2 负责流速、 流量计算及修正, 并完成人机交互。
 MCU1 和 MCU2 之间的数据交换通过共享数据区  ( 双口RAM) 实现。
 在 MCU1 的控制下, 时序控制电路接通超声波发射电路 , 超声波换能器 TR1、 TR2 同时发射超声波脉冲, 经过
图2
一 段时间后, TR1、 TR2 发射的超信号分别进入对方换能器 (TR1→TR2, TR2→TR1)。 在接通超声波发射电路的同时, 时序控制电路启动高速数据采集电路, 以 40MSPS 的采样速率自动完成超声波信号采集, 并将数据存放在 64kB的高速缓存中, 实时记录下换能器 TR1、 TR2 上所出现的一切信号。 一次信号采集完成后, 数据被读入 MCU1 进行分析处理, MCU1 将通过这些采集到的数据来完成时间差的计算。 MCU1 计算出的时间差通过共享数据区传给MCU2, MCU2 依据时间差信息计算出流速、 流量及累积流量等, 并将它们通过 LCD 模块显示出来。
 
4、系统硬件组成:
4.1、超声波信号高速数据采集电路:

 超声波高速采集电路包含两路 ADC 通道, 分别记录探头 TR1、 探头 TR2 上所出现的信号。 它由两路半闪烁式高速 8 位模数转换器 TLC5540、 64kB 数据缓存、 地址发生器、 采样时钟分频器及时序控制器组成。 根据所用超声波探 头 的 不 同 , 可 以 选 择 40MSPS、 20MSPS、 10MSPS、 5MSPS 及 2.5MSPS 的采样频率。 对于不同的测量管径 , 采样数据存储深度可以选择 32kB、 16kB、 8kB 及 4kB。
 MCU1 在启动数据采集的同时发射一次超声波脉冲 。数据采集启动后, 时序控制器将按所选的采样频率产生ADC 的读出时序和数据缓存的写入时序, 地址发生器产生数据缓存的地址序列, 实现两路超声波信号同时采集, 这一过程无需 MCU1 干预。 当存储深度达到设定值时自动停止采样, 并产生数据采集结束信号。 在信号采样过程中,可以通过查询数据采集电路状态寄存器来判断采样过程是否结束。 采样结束后, MCU1 通过一个外部端口读取数据缓存中的采样值, 地址发生器自动产生数据缓存的读出地址序列, 使数据读取按采样数据写入的顺序进行。
  数据采集电路实时记录了探头 TRA、 TRB 上超声波发射及接收过程中所出现的一切信号。 通过对两组超声波采样数据进行分析处理, 可以准确的定位回波首波, 判断噪声的干扰情况, 剔除质量差的信号, 避免回波首波出现缺陷或幅值太小对时间差测量可能带来的影响, 并在此基础上计算出时差 t。
 
4.2、共享数据区电路:
 共享数据区是处理器 MCU1 和处理器 MCU2 进行数据交换的场所, 由双口静态存储器 IDT7130 及相应的辅助电路构成,  它既是 MCU1 外部数据 存储器的一部分, 也是 MCU2 外部数据存储器的一部分。 共享数据区和双处理器结构的采用大大提高了系统的响应速度, 实验表明流量检测结果的刷**新 率 不 小 于 60Hz, *** 高 可 达 到75Hz (检测结果刷新率与信号质量成正比, 系统在进行时差计算前按一定的规则识别并剔除存在波形畸变或干扰严重的测量点, 以保证时差测量的准确性)。
 IDT7130 是 1kB 双口 SRAM, MCU1、 MCU2 可以通过两组独立的地址总线和数据总线对其内部的任何一个单元进行操作。 共享数据区采用 IDT7130 的中断功能, 当MCU2 需 要 向 MCU1 传 送 数 据 时 , 首 先 对 IDT7130 的 0x03FE 单元进行写操作引起 MCU1 中断, MCU1 在中断后进行中断清除操作, 这样 MCU1 就可以从 IDT7130 中读取MCU2 写入的数据 。 MCU1 向 MCU2 传送数据也采用类似的方式。 整个操作均是对外部扩展数据存储器进行读写,操作简单快捷, 数据传送量大。
 
4.3 人机交互电路
人机交互电路包括小键盘和 LCD 显示两部分。 键盘用于运行参数的设定及功能菜单的选择, LCD 显示采用MCG12864 液晶模块 , 用于显示中文菜单 、 超声波接收区波形、 流速、 流量、 累积流量、 信号强度、 逆流指示及日期、 时间等。
 通过功能菜单, 用户只需输入管道的尺寸, 选择管道材料及被测流体种类, 系统即可准确的测量各项参数。 特殊的 “探头安装向导” 功能可以引导用户将探头安装在信号质量***好的位置, 此时 LCD 将为用户显示理论的安装距离、 超声波接收区波形、 超声波接收区起始位置及信号强度, 一旦信号稳定即可进入流量测量, 极大简化了测量操作。 对于信号幅度需要更改的场合, 通过调整 “探头安装向导” 菜单中 “信号增益控制” 可获得理想的信号幅值。
 系统设置了 128kB 的 FLASH 数据存储器, 根据不同的测量需求, 可以按不小于 1s 的时间间隔储存 12000 组测量数据。 通过 “数据上传” 功能选项, 可随时将数据上传到具有 RS-232 串口的计算机, 或者通过 “数据打印 ” 选项, 将测量数据进行打印存档。
 
5、系统软件设计:
 系统软件包括键盘管理、 LCD 显示、 数据通信、 时差测量、 流量处理与补偿等部分。 键盘管理、 LCD 显示、 数据通信都具有较强的通用性, 本文不再介绍, 下面主要对时差计算部分的软件设计思想进行说明。 通过数据上传端口得到的双路超声波信号如图 3 和图 4 所示, 其中图 3 为探头发射超声波到接收对方探头超声波的整体波形, 图 4为接收对方超声波信号区域的放大波形。 整个波形的采样长度为 4096 点, 对方探头超声波信号开始出现在第 2016个采样点处, 测试所用超声波探头为 5P-K3-6×6 小径管探头。
图3   双通道超声波波形信号
时 差计算程序首先完成接收对方超声波区域的搜索。
 程序将按用户输入的回波搜索尺度 (探头安装向导中由用户输入) 找出发射始波区域以后满足要求的数据区, 对于存在的干扰, 程序按照一定的规则加以剔除。 在判定该接收波形有效后, 程序转入时差计算。 如图 4 所示, 程序逐一计算点 A1、 A2, B1、 B2, C1、 C2, D1、 D2, E1、 E2之间的时差, 在确定不存在波形畸变后程序选取 A1 至 E1数据区间的顺、 逆流数据进行互相关处理计算出顺逆流时间差, 否则丢弃当前一次数据采集结果。 从图 4 可以看出逆流方向的信号在 E2 点发生了畸变, 程序在判定后剔除该点, E1、 E2 将不参加该次时差的计算, 因此时间差的
图 4	超声波换能器接收对方超声波信号局部放大波形

图 4 超声波换能器接收对方超声波信号局部放大波形

计算不受波形畸变、 噪声干扰的影响, 具有较高的测量精度。
 
6、系统试验结果:
 在不同管径、 不同流速环境下的检测结果表明, 本文介绍的超声波液体流量计具有较好的累积流量检测精度,但在同一管径、 不同流速检测点所得到的累积流量存在一定的非线性, 需要在软件上进行非线性修正。

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