連續超聲波流量儀的製作方法

2023-07-20 13:13:46

專利名稱：連續超聲波流量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種單片微機控制的高精度、全量程測量流體流量的超聲波流量儀。
現有的超聲波測量流體流量的方法有時差法、相差法、頻差法、波束位移法、都卜勒法、流體切變測量法等。其共同特點是通過測量流速，來測量體積流量。時差法量程的上限不受限制，但不能測量低速流體的流量，且受溫度變化的影響，測量靈敏度低。相差法量程的下限可以很低，但不能測量高速流體的流量，且受溫度變化的影響。頻差法基本上與聲速無關，不受溫度的影響，但不能測量低速流體的流量。都卜勒法僅適用於多相流體流量的測量，流速與聲速有關，且隨溫度變化，不能測量低速流體的流量，不適用於單相流體流量的測量。以上方法各有優缺點，在使用上受到限制。
本實用新型的目的在於提供一種高精度、全量程，不受流體溫度影響的連續超聲波流量儀。能適用於各種介質；能測量超低流速、超高流速流體的流量；能測量高溫、高壓、腐蝕性流體流量的一種超聲波流量儀。
為達到上述目的，本實用新型採用了以下方案沿流體流動方向安置三支超聲換能器，換能器(11)發出的超聲波，經過一段時間的傳輸分別被換能器(12)和(13)所接收。設換能器(12)接收信號相對於換能器(11)發射信號的相位為φA，換能器(13)接收信號相對於換能器(11)發射信號的相位為φB，則流速U=K(1A-1B)]]>。由於φA與逆向流速U相關，φB與順向流速U相關，從而消去聲速，克服了影響聲速的溫度、介質種類等因素對測量數據的影響。由於現代電子技術對波形參數測量精度很高，所以流速U測量量程的下限很低，解析度(即靈敏度)很高，可達到1mm·s-1以下。為擴展流量測量範圍的上限，特對連續超聲波進行編碼，通過編碼識別超聲波在流體中傳輸產生波參數變化而獲得的流量信息。以發射信號為標準信號，分別與上遊接收換能器和下遊接收換能器所接收信號進行相關分析，檢出流量信息，使量程上限達到100m·s-1以上。並以此克服流體溫度或其它特性變化引起聲速變化對測量數據的影響。
改變換能器的工作頻率，就能適應各種流體，保證連續超聲波能在該種流體中傳輸。對多泡流體和含顆粒尺寸較大的多相流體對連續超聲波的信號衰減，採用大環路、高dB值、不失真自動增益控制電路，克服了信號衰減的影響。
本實用新型提供的連續超聲波流量儀，是由電源穩壓板(1)(8)、電源變壓器(2)(7)、模擬板(3)(4)、數字板(5)(6)、鍵盤顯示板(9)(10)及換能器(11)(12)(13)組成。超聲換能器的安裝沿流速方向，呈「V」字型安裝[(圖2-(14)]、或呈「X」字型安裝[(圖2-(15)]、或呈「一」字型安裝[圖2-(16)]。換能器的工作頻率可根據介質的性質選擇下列頻率20KHz、40KHz、60KHz、100KHz、250KHz、300KHz、500KHz和1MHz。換能器的並聯調諧電路為串聯RL電路。
本超聲波流量儀是採用雙電源變壓器(2)、(7)和雙電源穩壓電路(1)、(8)，即數字部分和模擬部分分別由不同電源供電。模擬部分(3)(4)與數字部分(5)(6)完全隔離，由光耦合器進行信號耦合。採用8253進行F/D變換，採用74LS74組成四分頻電路擴展變換範圍；採用74LS157進行信號選擇，實現8253的通道復用。採用MCS-51單片微機進行數據採集、處理和控制，且有並聯輸出列印口，可與熱敏微型印表機或其它微型印表機接口。採用LED顯示器(或LCD顯示器)顯示結果。
與現有超聲波流量儀相比，本實用新型具有下述特點(1)精度高、全量程、不受流體溫度影響；(2)適用於各種介質液體、氣體；單相、多相；水性、油性以及高粘度流體流量的測量。但它不適用於不能傳播連續超聲波的流體；(3)能測量超低流速或超高流速流體的流量；(4)能測量多種相態流體、含大尺寸顆粒或高粒度流體的流量(5)能測量高溫、高壓、腐蝕性流體的流量(6)流量傳感器的壽命長。


如下圖1．本裝置結構安裝示意圖。(1)模擬電源穩壓板，(2)模擬電源變壓器，(3)發射信號板，(4)接收信號板，(5)F/D變換板，(6)單片微機板，(7)數字電源變壓器，(8)數字電源穩壓板，(9)鍵盤，(10)顯示器，(11)發射換能器，(12)上遊接收換能器。(13)下遊接收換能器。
圖2．換能器(11)(12)(13)的幾種安裝方式示意圖。(14)三換能器示意圖，適用於一般流體；(15)四換能器示意圖，適用於瞬變、多態流體；(16)小管徑示意圖，適用於直徑小於25mm的管徑。
圖3．超聲波發射信號板(3)的電原理圖。

—時鐘振蕩器，由74LS04和晶振構成。產生的時鐘信號經整形後送

—編碼器，由74LS265,161等構成。MCS-51,CPU產生的編碼信號在編碼器中對

輸出信號編碼，然後送

—自動增益控制電路，由5534構成，其控制信號來自接收板。

—帶通濾波器，由592構成。

—輸出功放電路，由5534構成，其輸出信號驅動發射換能器發射超聲波。
圖4．超聲波接收信號板(4)的電原理圖。接收換能器(12)輸出信號經D1、D2組成的防阻塞電路後，進入

—由5534組成的低噪聲前置放大器後，進入

—由592構成的帶通濾波器濾除幹擾信號後，一路經D3構成的檢波電路和

—由356構成的減法電路去控制發射放大器的增益，另一路輸入

—解碼解碼器，其輸出信號經

—由OP-07構成的直流放大器放大後，送由331構成的V/F變換電路

，進行電壓/頻率變換，最後經

—光耦隔離電路送F/D變換板。接收換能器(13)輸出信號變換與接收換能器(12)輸出信號變換順序相同。
下面簡要說明該儀器的測量操作過程·將流量傳感器短節串接在待測流體管道中，要求上遊直管段長度大於10倍短節長度，下遊直管段長度大於5倍短節長度。
·從儀器面板鍵盤輸入傳感器短節內徑、待測流體的粘滯係數、流量累積時間間隔。
·按測量鍵，數秒種後，顯示器即顯示其瞬時流量值。
·若按流速鍵，則顯示流速值；按累計流量鍵顯示累計流量值。
該儀器在《水泥凝結過程實驗裝置》中使用的主要參數指標如下·流速範圍1cm·s-1～20m·s-1·流速解析度3mm·s-1·誤差±0.1％·工作頻率250KHz·流道直徑10mm(無直管段)·流體特性腐蝕液、含少量氣泡·流體環境條件壓力、20MPa溫度、60℃。
權利要求1．一種連續超聲波流量儀，是由電源穩壓板(1)(8)、電源變壓器(2)(7)、模擬板(3)(4)、數字板(5)(6)、鍵盤顯示板(9)(10)及換能器(11)(12)(13)組成，其特徵在於，沿流體流動方向安置三支超聲波換能器，換能器(11)發出的超聲波，經過一段時間的傳輸分別被接收器(12)、(13)所接收，兩接收器的信號分別由各自的模擬信號處理電路和數字變換電路處理後送MCS-51單片微機進行相關分析，檢出流量信息，計算流量參數。
2．根據權利要求1所述的連續超聲波流量儀，其特徵在於，換能器(11)、(12)、(13)的安裝沿流速方向，呈「V」字型安裝，或呈「X」字型安裝，或呈「一」字型安裝(見圖2)，換能器的並聯調諧電路為串聯的RL電路。
3．根據權利要求1所述的流量儀，其特徵在於，採用大環路、高dB值、不失真自動增益控制電路控制超聲發射換能器的激勵電壓，採用無相移自動增益控制電路控制接收信號電壓，以克服由於介質聲特徵的波動引起的信號波動所產生的檢出誤差。
專利摘要本實用新型是一種單片微機控制的高精度、全量程連續超聲波流量儀。它是由電源、模擬、數字及換能器組成。其特點是對連續超聲波進行編碼,通過它在流體中傳輸產生波參數變化獲取流量信息。沿流體流動方向安置三支超聲換能器,換能器發出的超聲波,經過一段時間的傳輸分別被接收器所接收,由微機進行數據採集、處理和控制。它廣泛用於石油、化工、環保、食品、醫藥及水電領域的高低溫或高低壓流體的流量測量。其數據不受流體溫度和介質特性的影響。
文檔編號G01F1/66GK2310311SQ9623391
公開日1999年3月10日 申請日期1996年10月15日 優先權日1996年10月15日
發明者苟陽明, 王斐, 苟曉彬 申請人:苟陽明, 王斐, 苟曉彬