便携式时差法小管径超声波液体流量计.pdf

机电工攫技木2010年第39卷第07期
研究与开发
便携式时差法小管径超声波液体流量计
郑应强,杨金岩,康宁民,王玉森
(第二炮兵装备研究院,北京100085)
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,采用双处理器结构完成信号采样、时差计算及人机交互,解法了时差法小管径超声波液体流量
检测过程中波形睛变、噪声干扰、时差测量、探头安装等方面的问题。
关键词:时差法;超声波;流量计
中图分类号:TP216.1
文献标识码
文章编号:1009-9492(2010)07-0071-02
1引言
为t,TR2发射TRI接收的传播时间为a2,同时令L1=L/
超声波在流体中传播时将携带上流体信息,通过对超c,可以得到式(1)和式(2)。
声波信号的分析可以得到流体的流速、流量。根据检测的
, =Ly(C+Vcos)+t,l
方式的不同,超声波流量检测有传播速度差法、多普勒法
, =L/(c-vcose)+t
2)
等不同类型,而传播速度差法又可以分为时间差法、相位
式(1)中的a为TRI发射TR2接收时超声波两次穿
差法和频率差法2。
过管壁的时间及电路延时,式(2)中的tn为TR2发射
本文介绍了一种便携式时差法小管径超声波液体流量
TR1接收时超声波两次穿过管壁的时间及电路延时。假设
计,该流量计以高速数据采集和互相关数据处理技术为基
TR1发射TR2接收与TR2发射TR1接收所存在的电路延
础,采用双处理器结构完成信号采样、时差计算及人机交时完全相同,那么与之间的时间差△?仅与液体流速
互,解决了时差法小管径超声波液体流量检测过程中波形
对超声波传播速度的影响有关。t与み之间的时间差△r可
畸变、噪声干扰、时差测量、探头安装等方面的问题。
由式(3)进行计算
2时间差法流量检测原理2
△r=2LV/(Ce-Vcos6)
采用时间差法进行流量检测的原理如图1所示。
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。
At≈2LW/C2
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=At·C/(2L)
(5)
0
液体流向
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
图1时间差法流量检测原理
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
假设静止液体中超声波的声速为C,流体的流速为V。
号发射、采集时序控制及顺、逆流传播时间差计算,处理
超声波沿顺流方向传播时速度为C+Vcosθ,沿逆流方向传
器MCU2负责流速、流量计算及修正,并完成人机交互。
播时速度为为C- Vcos。将距离为L的两个超声波换能器MCUI和MCU2之间的数据交换通过共享数据区(双口
TR1、TR2置于管壁外,设TRI发射TR2接收的传播时间RAM)实现。
收稿日期:2010-01-10
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在MCU1的控制下,时序控制电路接通超声波发射电
声的干扰情况,剔除质量差的信号,避免回波首波出现缺
路,超声波换能器TRI、TR2同时发射超声波脉冲,经过陷或幅值太小对时间差测量可能带来的影响,并在此基础
上精确计算出时差△。
4.2共享数据区电路
RS232
MCU2
MCUI
时序控制电路
TRI
共享数据区是处理器MCU1和处
打印机接口
流量
时序
理器MCU2进行数据交换的场所,由
采样时钟
LCD显示
处理
控制「数据缓存
双口静态存储器D17130及相应的辅
分频器
键盘
人机
时差k?32kB×2
助电路构成,它既是MCUI外部数据
日历、时钟
交互
测量
40MSPS
TR2
存储器的一部分,也是MCU2外部数
ADC
据存储器的一部分。共享数据区和双
超声波发
处理器结构的采用大大提高了系统的
共享数据区
生电路
响应速度,实验表明流量检测结果的
刷新率不小于60Hz,最高可达到
图2便携式时差法小管径超声波液体流量计系统结构
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
一段时间后,TR1、TR2发射的超信号分别进入对方换能
的规则识别并别除存在波形畸变或干扰严重的测量点,以
器(TR1→TR2,TR2→TR1)。在接通超声波发射电路的同
保证时差测量的准确性)。
时,时序控制电路启动高速数据采集电路,以40MSPS的
ID17130是1kB双口SRAM,MCU1、MCU2可以通过
采样速率自动完成超声波信号采集,并将数据存放在64kB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
的高速缓存中,实时记录下换能器TR1、TR2上所出现的进行操作。共享数据区采用1Dm7130的中断功能,当
切信号。一次信号采集完成后,数据被读入MCUI进行MCU2需要向MCU1传送数据时,首先对1Dm7130的
分析处理,MCU1将通过这些采集到的数据来完成时间差
0xO3FE单元进行写操作引起MCU1中断、MCU1在中断后
的计算。MCU1计算出的时间差通过共享数据区传给
进行中断清除操作,这样MCUI就可以从IDT7130中读取
MCU2,MCU2依据时间差信息计算出流速、流量及累积流MCU2写入的数据。MCU1向MCU2传送数据也采用类似
量等,并将它们通过LCD模块显示出来。
的方式。整个操作均是对外部扩展数据存储器进行读写,
4系统硬件组成
操作简单快捷,数据传送量大。
4.1超声波信号高速数据采集电路
4.3人机交互电路
超声波高速采集电路包含两路ADC通道,分别记录
人机交互电路包括小键盘和LCD显示两部分。键盘用
探头TR1、探头THR2上所出现的信号。它由两路半闪烁式
于运行参数的设定及功能菜单的选择,LCD显示采用
高速8位模数转换器TC5540、64kB数据缓存、地址发生MCC12864液品模块,用于显示中文菜单、超声波接收区
器、采样时钟分频器及时序控制器组成。根据所用超声波
波形、流速、流量、累积流量、信号强度、逆流指示及日
探头的不同,可以选揮40MSPS、20MSPS、10MSPS、
期、时间等。
5MSPS及2.5MSPS的采样频率。对于不同的测量管径,采
通过功能菜单,用户只需输入管道的尺寸,选择管道
样数据存储深度可以选择32kB、16kB、8kB及4kB。
材料及被测流体种类,系统即可准确的测量各项参数。特
MCUI在启动数据采集的同时发射一次超声波脉冲。殊的“探头安装向导”功能可以引导用户将探头安装在信
数据采集启动后,时序控制器将按所选的采样频率产生号质量最好的位置,此时LCD将为用户最示理论的安装距