流量測量的主要任務有兩類：一是為流體物資貿(mào)易核算儲運管理和污水廢氣排放控制的總量計量；二是為流程工業(yè)提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低成本以及環(huán)境保護等進行必要的流量檢測和控制。隨著社會迅速發(fā)展，在流程工業(yè)中檢測和控制溫度、流量、壓力、物位和成分分析等參數(shù)儀表中，氣體流量儀表占很大的比重。近年來，隨著西氣東輸管道工程全面啟動，在天然氣生產(chǎn)、輸送、交易、分配和使用過程中，由于供需雙方經(jīng)濟利益或用戶為謀取最佳使用效果，尤其是對于大口徑氣體流量測量提出了新要求。為了適應氣體流量測量不斷提高的標準，將超聲波技術應用到氣體流量的檢測中，一種新型流量計——超聲波氣體流量計應運而生。
1 系統(tǒng)設計
超聲波在流動的氣體中傳播時，可以載上氣體流速的信息。因此，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出氣體的流速，從而轉換成流量。超聲波氣體流量計即是用來測量氣體流量的。其原理是利用超聲波的傳播速度隨流速變化而發(fā)生變化的原理來測量的氣體流速的流量計。超聲波氣體流量計由超聲波換能器、電子線路、流量顯示和計算系統(tǒng)組成。超聲波換能器將電能轉換成超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測氣體，接收換能器接收到超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉換為代表流量的電信號，供顯示和計算，為此實現(xiàn)了流量的檢測顯示。頻差法是測量在順流和逆流超聲波脈沖的循環(huán)頻率差獲得流體流速、流量值的方法[1-2]。
1.1 系統(tǒng)簡介
目前，國內(nèi)外超聲波流量計有美國ORE公司的7610系列流量計、我國唐山匯中儀表公司的超聲波流量計等。美國ORE公司的流量計精度較高，穩(wěn)定性能好，使用范圍寬，但是存在操作不方便、安裝困難，且為全英文界面、服務周期長、價格高昂等缺點。目前我國的流量計雖然克服了其某些缺點，但是精度和測量范圍卻無法達到國外的指標。
針對以上問題，本系統(tǒng)主要通過頻差法來測量氣體流量，通過應用TDC-GP2具有高精度進行時間計量，應用MSP430系列的微處理芯片，這兩款芯片的結合，制造出來的超聲波流量計。該流量計具有低功耗、低成本、使用方便、高精度、且將時間間隔的測量量化到65ps的精度，給超聲波流量計提供了較好的解決方案。
1.2 流速的測量算法
本文以頻差法對超聲波氣體流量計的基本測量原理做一簡單介紹。
超聲波氣體流量計的聲環(huán)回路如圖1所示，A、B為一對超聲波換能器，相互交替著作為發(fā)射器或接收器。其工作原理：一支換能器發(fā)出超聲波，另一支換能器接收到超聲波信號、經(jīng)過一定的信號處理后再次觸發(fā)發(fā)射器，這樣就形成了一個聲循環(huán)過程，這個循環(huán)頻率即為聲循環(huán)頻率。
圖1 頻差法流速測量原理圖
假定順流時聲循環(huán)頻率為f1，逆流時聲循環(huán)頻率為f2，聲循環(huán)頻率差為△f。忽略超聲波在換能器中傳播和電子電路等時間延遲因素，可得：
具體參數(shù)選擇為D=150mm，θ=45°，將此參數(shù)代入式（5），有：
（6）
以上公式中，V為氣體流速（m/s）；θ為超聲波傳播聲道與管中心線夾角；L為超聲波聲道的長度（m）；C為靜止空氣中超聲波傳播速度（m/s）。
由式（5）可知，氣體流速與頻率差成正比例關系，比例系數(shù)為，不受聲速因素的影響，測量結果也不會因溫度的變化而受到影響。
與其他的氣體流速測量方法相比（如時差法、相差法受氣體溫度影響，會給測量結果帶來一定誤差），頻差法不但不會因溫度影響而帶來系統(tǒng)測量誤差，而且計算公式簡單，氣體流速與頻率差呈線性關系。因此，在本系統(tǒng)中選用頻差法進行氣體流速測量。
1.3 流量計算方程
通過上面分析可知，超聲波氣體流量計是測量沿聲道上的流體的平均流速值，即為管道直徑方向上的平均流速值。為了計算出通過管道的流量，必須先了解徑向平均流速與截面平均流速 兩者之間的關系。
在層流和紊流時，與之間的關系可以表示為：
層流1： （7）
紊流2： （8）
式中，n為雷諾數(shù)Re相關的系數(shù)。在工程實用中可以把紊流狀態(tài)下的與之間的關系用下面的經(jīng)驗公式表示：
Re>105時：
（9）
Re<105時：
（10）
式中，K為同一流量與的比值，為超聲波氣體流量計的流量修正系數(shù)。由式（6）、（9）和（10）可得頻差法超聲波氣體流量計的流量方程如下：
（11）
1.4 超聲波傳感器的選擇
超聲波已經(jīng)成功應用于液體流量的測量，但是由于技術上的難題，使得在氣體流量測量上的應用進展緩慢。主要難題是：超聲波換能器材質(zhì)和氣體介質(zhì)特性阻抗相差很大，造成換能器接收和發(fā)射效率太低。
超聲波的應用領域非常廣泛，作用各不相同，所以對超聲波傳感器的選擇也不盡相同。探傷用超聲波傳感器的傳輸距離短，分辨率高，發(fā)出超聲波頻率也較高，一般為幾兆到幾十兆；測距用超聲波傳感器的傳輸距離較長，對分辨率的要求相對較低，所以一般情況下測距用的傳感器振蕩頻率較低，一般在40kHz左右。氣體流量計中的聲道長度大于探傷聲道，但又小于超聲測距聲道，所以這兩種超聲波傳感器都不能應用于測量氣體流量[3-4]。
選擇應用于氣體流量測量的超聲波傳感器主要是對超聲波振蕩頻率的選擇。首先要考慮在最大的傳播距離內(nèi)，接收器能接收到足夠聲壓與強度的超聲波信號。其次還要考慮超聲波震動因機械效應、熱效應、化學效應、生物效應等對周圍環(huán)境的影響。從這兩個方面考慮，空氣中超聲波頻率越小越好，但是考慮到氣體流量的檢測精度，超聲頻率則越大越好，但太大的超聲頻率又將造成過大的信號能量衰減。將兩者折中考慮，應用于氣體超聲波流量計的超聲波傳感器的振蕩頻率選擇在100kHz~200kHz的范圍內(nèi)最佳。
根據(jù)以上超聲波傳感器選擇原則，本系統(tǒng)選用了美國SensComp公司生產(chǎn)的壓電型超聲波傳感器120KHF25，其壓電晶片和增透模的設計使該傳感器更加適合在氣體中應用[5]。
1.5 超聲波氣體流量計的設計方案
超聲波氣體流量計的超聲換能器發(fā)射及接收電路原理圖如圖2所示。圖2是本設計的關鍵是整個電路的核心[6]，由TDC-GP2芯片的FIRE1和FIRE22個引腳完成發(fā)射、接收換能器的連接，發(fā)射與接收功能的轉換則是通過芯片SN74CBT1G125（單FET總線開關）控制，中間還有一些輔助芯片。
圖2 超聲波換能器發(fā)射與接收電路模塊
1.6 顯示及鍵盤輸入模塊
MCU、LCD和鍵盤控制模塊電路如圖3所示。顯示和鍵盤輸入模塊包括LCD顯示、鍵盤操作、485接口、多路電壓采樣、數(shù)據(jù)保存、電流輸出部分。本流量計選用帶看門狗功能的EEPROM存儲器，在軟件設計中對需要保存的數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)保護處理，以確保每次數(shù)據(jù)的讀寫準確無誤。主單片機在系統(tǒng)時間為單秒時實現(xiàn)采樣和計算，為雙秒時刷新液晶顯示，同時各種參數(shù)可通過鍵盤進行調(diào)整，但要注意參數(shù)應與測量部分參數(shù)保持一致。485接口結合上位PC機通信軟件可以實現(xiàn)更為方便的監(jiān)控，特別是在LCD出現(xiàn)故障時亦能保證監(jiān)測流量。
圖3 MCU、LCD和鍵盤控制模塊
由于采用了標準的4~20mA輸入輸出接口，顯示及鍵盤輸入模塊可作為通用的儀表，如編寫不同的軟件可使其作為熱式、質(zhì)量等多種流量計的顯示部分，或是作為工業(yè)用溫度、壓力監(jiān)控儀表等。
采用頻差法設計的超聲波氣體流量計系統(tǒng)在提高測量精度的同時大大降低了功耗，是超聲波流量計的最佳選擇。應用TDC-GP2芯片開發(fā)的系統(tǒng)具有設計簡單、測量精度高、成本低廉、使用方便的優(yōu)點。已有廠商使用此芯片成功地進行了超聲波流量計的研發(fā)。實際應用結果表明，頻差算法加上TDC-GP2為超聲波流量計及超聲波氣體流量計的性能提供了保障。
本型號超聲波氣體流量計是我們研制的新型產(chǎn)品，該流量計具有以下優(yōu)點：（1）抗干擾能力好。能在復雜和惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作；（2）量程寬。管徑范圍為50~1500mm，可測流速范圍可達±30m/s；（3）測量精確度較高，可達1.5%；時間分辨率可達65ps；（4）適用范圍廣，可適用于不同溫度和壓力的多種氣體流量的測定。
參考文獻
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