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提高超声波流量计量精度

时间:2021-05-25
第一章绪论
超声流量检测技术是根据被测流体对超声传播速度的变化而进行调节,实现流量的测量。近几年来,数字信号处理技术、大规模数字电路的应用和新型超声传感器的出现,推动了超声流量检测技术的发展。相对于传统的超声波流量计,它解决了大直径、大流量以及各种明渠、暗渠液体流量难以测量的问题,同时还可测量液体的流量,包括:液体、气体,甚至对测量介质没有要求的两相介质。而且其具有低电压降,低能耗,高精度等优点,正逐步取代机械式流量计。但是,在用超声进行小口径流量测量时,由于超声在短时间内穿过被测液体,使测量信号易被杂波淹没,影响测量精度。对于上述问题,通过硬件电路的设计和软件算法的改进,较好地解决了小口径超声流量检测中的精度问题。
二是超声流量计的驱动与信号处理。
超声流量计检测方法主要有:时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏置等;时差法超声流量是依靠超声信号传至介质后,在流动介质中含有介质的流速信息,时差法超声接收传感器将含有流速信息的超声回波信号接收到电路板中,经过一系列的信号处理后,就可以获得被测介质的流速或流速信息。
时差法-超声波流量计的工作原理。
在小口径超声流量计中,时差法的测量精度是时差法计量的关键,近年来,高速时间计数处理芯片的不断出现,使时差法在小口径超声流量计中得到广泛应用,保证了时差法的测量精度。图1是超声流量时差测量方法的基本原理示意图。
图1超声流量测量的基本原理。
超声波探头A和B可同时发射和接收,当探头A发射和B接收超声波时,超声波在流体中顺传,它的速度要加快,测量到的是顺传时间;相反,逆传时,超声波的速度要降低。
时间差法中顺流传播的时间t1是:
t2反向传播时间为:
顺向逆时差Δt:
可以得到:
其中C是液体中超声波的声速;L是两个传感器之间的距离;V是管轴向平均流速;θ是超声波进入液体的入射角;τ是超声波在液体中传播所需的额外时间。
(2)超声传感器驱动控制。
测量超声流量时,首先需要驱动传感器,激发传感器产生振荡并发出超声信号,下面分别以1个驱动脉冲、10个驱动脉冲和15个驱动脉冲作为传感器的激励源,图2是当接收端传感器接收到1个驱动脉冲时,传感器接收到的波形。可见,当脉冲驱动时,接收到的波形是非常微弱的,而且波形非常不规范。图3是接收端传感器在10个驱动脉冲时接收的波形。波的形状有明显的改善。图4是接收端传感器在15次脉冲驱动下接收的波形。
图21为脉冲接收波形。
图为310个脉冲接收信号。


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