時(shí)差法 超聲波流量計(jì) 初步設(shè)計(jì)課件

時(shí)差法超聲波流量計(jì)的初步設(shè)計(jì)一、時(shí)差法原理及總體方案設(shè)計(jì)二、方案的論證及器件的選型三、系統(tǒng)的硬件電路初步設(shè)計(jì)四、需要解決的問(wèn)題

一時(shí)差法原理及總體方案設(shè)計(jì)

直接時(shí)差法原理原理：超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)就載上流體流速的信息。因此通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。

其中：c是超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，tu和td之間的差為：式中X是兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。為了簡(jiǎn)化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：上式可簡(jiǎn)化為

也就是流體的流速為：

流量Q可以表示為總體設(shè)計(jì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)系統(tǒng)框圖超聲波流量計(jì)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。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)框圖這個(gè)過(guò)程可以得到順流傳播的傳播時(shí)間，用同樣的方法可以得到逆流方向傳播的時(shí)間，并通過(guò)并行口送到主單片機(jī)上。主單片機(jī)收到從單片機(jī)發(fā)來(lái)的順逆流的傳播時(shí)間計(jì)數(shù)值后，采用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)這些時(shí)間信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲(chǔ)器中，并送到LCD上顯示出來(lái)。超聲波超聲波的傳播速度超聲波在水中的傳播速度不但溫度有關(guān)，還受水深h和水中含鹽量S的影響。換能器的安裝對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)來(lái)說(shuō)，超聲換能器在管道上的安裝位置通常有二種不同形式:平行式、Z型、V型。平行安裝的超聲波換能器位十管道軸線上，理論上講，聲波在管道的徑向穿過(guò)流體截面的次數(shù)越多，其測(cè)量準(zhǔn)確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂流場(chǎng)的分布，另一方面其測(cè)量的流體流速不具有整個(gè)流束截面的代表性，所以是不可取的;z型安裝的聲傳播路程較短，傳播時(shí)間不易測(cè)量，會(huì)限制流量計(jì)在小管徑上的應(yīng)用;

V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴(kuò)大聲程，是現(xiàn)在國(guó)際上流行的兩個(gè)換能器安裝在同一側(cè)的設(shè)計(jì)。所以，在本設(shè)計(jì)中，我們的換能器將采用單通道(即只采用一對(duì)探頭)V字型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，單通道形式可以消除由十雙通道換能器參數(shù)不對(duì)稱(chēng)等引起的一些附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對(duì)側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對(duì)測(cè)量的干擾。綜上所述換能器的安裝選擇V型的。決了外貼式流量計(jì)在測(cè)量中的一個(gè)難題。測(cè)量精度也比其它超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開(kāi)管道安裝換能器。③插入式插入式超聲波流量計(jì)介于上述兩者中間。在安裝上可以不斷流，利用專(zhuān)門(mén)工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。由十換能器在管道內(nèi)，其信號(hào)的發(fā)射、接受只經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)，不經(jīng)過(guò)管壁和襯里，所以其測(cè)量不受管質(zhì)和管襯材料限制。換能器選擇的其他因素考慮中心頻率貼射角發(fā)射強(qiáng)度發(fā)射/接收系統(tǒng)硬件邏輯框圖在設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)射和接收電路都分別只有一個(gè)，通過(guò)繼電器進(jìn)行順逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣做既降低了成本，又消除了非對(duì)稱(chēng)性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過(guò)使用單獨(dú)的繼電器分別對(duì)發(fā)射和接收換能器進(jìn)行控制，使換能器的發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收的影響。超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路

發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)流體傳播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡等影響，強(qiáng)度不斷減小，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，在信號(hào)到達(dá)檢測(cè)電路前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號(hào)的實(shí)際情況，我們對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動(dòng)控制增益電路、電壓比較電路等部分組成。3.2信號(hào)處理電路和MCU外圍電路3.2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路3.2.2時(shí)鐘電路3.2.3液晶顯示電路3.2.4無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路4.2硬件設(shè)計(jì)方面4.2.1信號(hào)處理電路和MCU外圍電路的具體電路的設(shè)計(jì)。4.2.2流量顯示及累計(jì)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)4.2.3硬件抗干擾電路的設(shè)計(jì)4.2.3電路的PCB的設(shè)計(jì)4.3軟件方面4.3.1系統(tǒng)軟件流程圖的繪