时差法超声波流量计设计毕业设计论文.docx
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时差法超声波流量计设计毕业设计论文
第一章绪论
1.1流量计的发展概述
自古以来测量都是人类文明的一种标志,是计量科学技术的组成部分之一,它广泛存在于水利,化工,农业,石油,冶金以及人民生活各个领域之中,一直得到世界各国政府和企业的重视,而且重视程度一直在不断加强。
早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏,古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。
1738年,瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为依据,利用差压法测量水流量;后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量,并于1791年发表了研究成果;1886年,美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置;1911~1912年,美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论;30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法,但到第二次世界大战为止未获很大进展。
第二次世界大战后,随着国际经济和科学技术的迅速发展,流量计量日益受到重视,流量仪表随之迅速发展起来,测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
目前国外投入使用的流量计有100多种,国内定型投产的也有近50种。
随着工业生产的自动化,管道化的发展,流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国内外资料表明,在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30%。
但是,由于流量测量技术的复杂化,以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求,流量计量的现况远不能满足生产的需要,还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
目前主要存在如下问题:
流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求,特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等,有待发展有效的测量手段。
我国开展近代流量测量的技术比较晚,早期所需的流量仪表均从国外进口,直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表,五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计,60年代涡轮、电磁流量计的生产。
至今,我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业,从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。
目前我国的流量装置方面。
与国际水平仍存在较大差距,现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求,一些新型的流量计,如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距,需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力,才有可能达到国际先进水平。
1.2超声波流量计的概述
1.2.1超声波流量计的发展和现状
超声波流量计(简称USF)是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。
凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表,在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
1931年,O.Rutten发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献。
但是要使超声波流量计具有一定的精度,要求对时间的测量精度至少达到107秒,这在当时是很难达到的;50年代初,美国科研人员首次提出了“鸣环”法,就是通过多次循环将时差扩大在进行测量,这种方法弥补了当时电子技术的不足,使得时间测量精度得以大大提高。
1955年,应用声循环法MAXSON流量计在美国研制成功,并用于航空燃料油流量的测量,标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段,但由于电子线路太复杂而未得到推广。
60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。
进入20世纪的70年代以后,由于集成电路技术的飞速发展,使得高精度的时间测量成为可能,再加上高性能、工作稳定的锁相技术(PLL)的出现和应用,为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证,同时为了消除声速变化对测量精度的影响,出现了频差法超声波流量计,这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法,灵敏度和测量范围也优于时差法,因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案,但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。
同一时期,前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究,指出管道内流体流动存在两种状态:
层流和紊流,并给出了层流状态下的理论计算公式,为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。
至此,超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来,超声流量计的种类也越来越多,相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。
当今全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家,这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和推广方面积累了丰富的经验,再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制造领域的优势,使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额,并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势。
我国超声波流量计的研究起步较晚,目前我国超声波流量计的研究和生产仍比较落后的,尽管近年来随着国外各大超声波流量计生产公司的产品纷纷进入我国的市场,也带动了国内超声流量测量研究的发展,但是从总体上说,我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距,在国内市场中,高精度的超声波流量计还是国外品牌的天下,形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面。
1.2.2超声波流量计的特点
超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表,相对于传统流量计而言,它主要具有一下特点:
①可作非接触测量。
夹装式超声波流量计无需停流截管安装,只要在管道外部安装换能器即可,为无流动阻挠测量,无额外压力损失,这是超声波流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点。
②适用于大型圆形管道和矩形管道,原理上不受管径限制,通用性好,同一仪表可以测量不同管径的管道流量,使用时不必严格考虑管材和壁厚,且其造价基本上与管径无关,更适合于大管径、大流量的场合。
③对介质几乎无要求。
只要能传播声波的流体皆可用超声波流量计测量流量,
因而适用于多种流体,除了水、石油等常见流体外,尤其适用于其他方法不便测量的情况,例如高温高压、腐蚀性液体、高粘度液体或气体等;而它可测量非导电性液体,在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。
1.3本课题内容
超声波流量计是一种很有发展前途和应用前景的节能型流量计。
然而超声波流量计本身而存在许多不足之处,传统时差法测流受声速影响精度不高,不适合小管径、小流量场合等。
现有国有的大多数超声波流量计虽然价格比外国的便宜,但总体性能较差;而国外的超声波流量计尽管在精度、性能和操作使用方面都由于国内的产品,但因价格昂贵,也不可能在工业界大量使用。
因此有必要在现有的基础上对超声波流量测量技术进行改进和提高,使超声波流量计性能更加稳定,总体性能接近或者达到国际先进水平,以便在国内推广和使用。
基于难度和可实现性,本文采用时差法为研究课题,在综合吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上,完成了一下一些主要的工作:
1 超声波时差法测流量原理研究,针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题,利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。
2 超声波在流体中传播特性的分析、超声波流量计流体力学分析及流量修正;
3 设计系统的控制测量电路,包括超声波发射电路、超声波接收电路、信号整形电路及系统控制电路等,并根据仪器本身的实际情况和现场环境研究硬件抗干扰技术;
4 设计相应的计算机软件对仪器进行控制和对数据进行运算处理,在软件上采取适宜的抗干扰措施,进一步增强仪器的运行稳定性;
第二章时差法超声波流量计的理论研究
2.1流量的基本概念
单位时间内,流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。
流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示,前者称为体积流量,用Q表示,单位为m3/s,后者成为质量流量,用G表示,单位为kg/s。
体积流量Q的计算式为:
式中,A为与流速v相垂直的通道横截面积,m2;v为沿通道横截面上的流体平均速度,m/s。
质量流量G的计算公式为:
式中,
为流体密度,
。
2.2超声波技术概述
由于超声波传播时,其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关,不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度,也影响接收波的强度。
因此,要准确地检测到超声信号并非易事,在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍。
2.2.1超声波的传播特性
超声波通常指频率高于20KHz的机械波,它可以在气体、液体和固体中传播。
因为本课题主要是研究针对供水行业的超声波流量计,所以我们只以水为介质进行分析:
1)超声波的传播速度
超声波在水中的传播速度不但与温度有关,还受水深h和水中还盐量s的影响,图2为水中声速与温度T的关系曲线。
当0≤T≤35℃,0≤S≤45‰,0≤h≤1000m时,水中声速可用下式计算:
图2水中温度和深度的关系曲线
2)超声波的衰减
超声波在媒质中传播时,其振幅将随传播距离的增大而减小,这种现象称为超声波的衰减。
造成衰减的主要原因是因为一方面,超声波在传播过程中,在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下,有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量,对超声波来说就是有一部分能量被吸收了,通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的;另一方面,超声波在媒质中传播时,如果媒质中含有大量的散射粒子(如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等),则一部分超声波将被散射开来,不再沿原来方向前进,仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的,这样就形成了散射衰减,而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源,又会向所有方向辐射声能,超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的,通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。
因此,超声波在水中传播时会不断衰减,甚至会被噪声淹没。
在设计过程中必须充分考虑以上两大因素,采取相应的措施确保超声波流量计的实现。
2.2.2超声波换能器的结构及原理
超声波的发射和接收,需要一种电-声之间的能量转换装置,这就是换能器。
超声换能器,也即超声传感器,是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器,它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器处在发射状态时,将电能转换为机械能,再将机械能转换为声能;反之,当换能器处在接收状态时,将声能转换为机械能,再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波,己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器,目前使用较多的是压电型超声波发生器,而压电材料有单晶体的、多晶体复合的,如石英单晶体,钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的,即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示:
图3超声波换能器结构原理图
超声波换能器是一个超声频电子振荡器,当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时,压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时,仿佛是一个小活塞,其振幅很小,约为(1~10)m,但这种振动的加速度很大,约(10~103)g,这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量,若这种能量沿一定方向传播出去,就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时,压电晶片就会发生共振,并带动谐振子振动,并推动周围介质振动,从而产生超声波。
相反,电极间未加电压,则当共振板接收到回波信号时,由逆压电效应,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路,如图4(a)所示,也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路,如图4(b)所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器
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