超聲波測量流體流量論

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1、超聲波測量流體流量畢業(yè)論文1.引言研究利用超聲波測量流體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。1928年，法國人0.Rutten研制成功了世界上第一臺超聲流量計。但為了使超聲波流量計有一定的精度，時差法超聲波流量計要求對時間的測量至少有10mS，這在當(dāng)時是很難做到的。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法的MAXSON流量計在美國研制成功，用于航空燃料油流量的測量。50年代末期，超聲波流量計由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用時期。但由于電子線路太復(fù)雜而未占有牢固的地位[1]。進(jìn)入20世紀(jì)的70年代以后，由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的時間測量成為一件輕而易舉的

2、事，再加上高性能、工作非常穩(wěn)定的鎖相技術(shù)(PLL)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得超聲波流量計的可靠性得到了初步的保證，同時為了消除聲速變化對測量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲流量計。鎖相頻差法測量周期短，響應(yīng)速度快，而且?guī)缀跬耆寺曀賹y量精度的影響，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計的主要方案，缺點是測量小管徑小流量時精度得不到保證。同一時期，前蘇聯(lián)科技工作者對管道內(nèi)流體的流速分布規(guī)律作了大量深入細(xì)致的研究，指出管道內(nèi)流體流動存在兩種狀態(tài)：層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)，并給出了層流狀態(tài)下的理論計算公式，為超聲波流量計進(jìn)一步提高測量精度打下了

3、堅實的理論基礎(chǔ)。至此，超聲波流量計的研究和應(yīng)用才蓬勃發(fā)展起來，超聲流量計的種類也越來越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法及噪聲法等。其中波束偏移法是利用超聲波在流體中傳播時因流體流動產(chǎn)生的波束的偏移量的大小來測量流量，這種方法靈敏度低，只能用來測量大管徑大流量;多普勒法利用不純凈流體中散射體的多普勒頻移來測量流量，特別適用于不純凈流體的流量測量；相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)來測量流量，測量精度高，適用范圍廣，但相關(guān)流量計線路復(fù)雜，價格昂貴，一般只在要求較高的場合使用；噪聲法則通過檢測流體中的噪聲來測量流量，這種方法線路簡單，價格便宜

4、，但精度低，只能在要求不高的場合使用。到了80年代中后期，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使超聲流量計向高性能、智能化的方向發(fā)展。由于使用了單片機(jī)作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理、進(jìn)一步提高了超聲波流量計的測量精度，而且還能設(shè)計出友好的人機(jī)界面，使系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、自動檢錯排錯功能以及其他一些輔助功能，大大方便了用戶的操作和使用。單片機(jī)在超聲流量計中的應(yīng)用，是超聲流量計開始真正進(jìn)入工業(yè)測量領(lǐng)域。2課題研究背景2.1超聲波流量計的現(xiàn)狀近10年來，基于高速數(shù)字信號的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，基于新型探頭材料與工藝的研究，基

5、于聲道配置及流動力學(xué)的研究，超聲流量測量技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，顯示了它強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢，形成了迅猛發(fā)展的勢頭，其潛在的巨大的生命力是顯而易見的。超聲流量測量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流.體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的。超聲波流量計一般.由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測流體，接收換能器接收到超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號，供顯示和積算，這樣就實現(xiàn)了流量的檢測顯示。在國外，以美國Controlotron公司和Ploysoni

6、cs公司為代表的產(chǎn)品較多的采用數(shù)字信號處理技術(shù)，如“同步調(diào)制”和FFT技術(shù)，他們廣泛的采用以DSP為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更快實時的處理超聲信號，同時能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，能自動識別多普勒信號與噪聲信號，抗干擾能力強(qiáng)，采用了高分別率的液晶顯示，可以現(xiàn)場對信號進(jìn)行多普勒分析。在測量方法方面有的利用改進(jìn)的時差法，用以消除速度受溫度的影響，還有將時差法與多普勒法的組合，如Controlotron公司研制的4

7、80型超聲流量計，這樣使得產(chǎn)品的實用范圍更廣。但由于國外的產(chǎn)品的價格比較高（每臺約為5～10萬元左右），所以限制了在國內(nèi)的大量使用[2]。目前國內(nèi)的廠家生產(chǎn)的超聲波流量計雖然價格比較便宜，但總體性能差，主要用于測量比較容易的大管徑管道中流體的測量。他們多采用的方法是時差法，以單片機(jī)為系統(tǒng)核心進(jìn)行信號處理。但由于受單片機(jī)速度的限制，所以只能進(jìn)行一些比較簡單的算法，如通過計數(shù)來實現(xiàn)流速的計算。同時由于一般的時差法受溫度的影響比較大，所以在精度上面就不會很高。如南京亞楠公司生產(chǎn)的ZLC系列流量計是國內(nèi)率先采用多脈沖發(fā)射和接收寬帶技術(shù)，并

8、帶有微機(jī)控制的新型超聲波時差式流量計。近幾年來由于DSP和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及以基于DSP為核心的數(shù)字信號處理電路技術(shù)日益成熟和廣泛使用，使得可以采用以DSP為處理核心的超聲波流量計來廣泛取代國內(nèi)的以單片機(jī)為核心的超聲波流量計，從而可利