1仪表工作原理
仪表的系统框图详见1.图中T1和T2是一对能同时发射和接收超声波的换能器(亦称探头)。首先换能器T1发射超声波,波束顺流传播,其传播速度提高,经过时间t1被换能器T2接收;然后由换能器T2发射超声波,超声波逆流传播,其传播速度减小,经超声波流量计系统框图过时间t2被T1接收。则管道截面上流体的平均流速V和流量Q分别为:
V=C2tgΗ2KDt
Q=ΠD24V
式中C――超声波在静止流体中的传播速度(ms);Η――声射线与管轴之间的夹角(°);D――管道内径(mm);
t――单次正逆程发射传播时间差,
t=t2-t1(s);K――校正因子。
由于C、Η、D均为已知量,只要测出t就可以计算出流速V和流量Q。因为K与流速V有关,实际应用时,应先通过实验确定校正因子K,然后对流速和流量进行校准。
上述原理直接用于测量时,由于管道内径有大有小,而t又都是ns的数量级,难以准确计量,因此需要加以改进。本系统利用超声多脉冲声循环法对微小时间进行累积,然后进行精确测量。具体工作过程是:在cpu2的控制下,单片机对各计数器清零cpu1复位。由cpu1控制时序,使K1、K2合向正程,发射电路发出触发脉冲,触发超声波换能器T1发射第一个超声脉冲,同时计数电路开始对频率为f的高频方波进行计数,该超声脉冲顺流传播至T2处被接收并转换成电信号,经过放大、整形送入cpu1.当cpu1时序控制K1和K2合向逆程时,计数器停止计数,读取N1和F1送入cpu2.然后对计数器清零,发射电路同时触发换能器T2发射超声波。此次,T2发射T1接收,形成逆流发射声循环,可以得一逆程计数值N2和F2送入cpu2,完成一次测量。
t1=N1F1、t2=N2F2,由于F1≈F2(如使F1=F2,则为理想状态),而两次声循环的固有电声延迟(包括超声波经过换能器透声斜楔、管壁等所需的时间以及电信号滞后的时间)之和相等。所以可得到单次正逆程发射传播时间差为:
t=(N2-N1)F
当F已知(大约1MHz),且固定不变时,根据公式就可以将两计数值之差(N2-N1)换算成流体的流速V和流体的流量Q.由于实际情况的复杂性,本流量仪表根据标定时所得一系列计数值之差与相应流速值,通过分段插值获得精确的流速V,进而算出流量Q值。
2分析
该仪表采用双cpu控制,具有很高的智能性。cpu1主要控制整机的时序,同时,由于软件和外围电路的配合,实现了接收信号的智能跟踪和调节,即第一峰B和第二峰C(2为接收信号波形图,正常测量时,要求C-B>15)实现仪表测量的智能和稳定。
但是由于B值有时跟踪很小,如1或2,一旦现场管道有异,至使基线太粗,或有一些干扰杂波时,仪表易误跟踪。故而在软件上要求B值一般不能小于5(这一保证与换能器有直接关系),保证仪表的抗干扰能力。
cpu2主要负责运算,并监控整个仪表,同时联接键盘、显示、打印机,实现友好的人机界面和会话,本仪表配有4―20mA的模拟远传信号,可按二次仪表集中显示,还有标准RS232接口,实现微机通讯,便于集中控制。
3结语
该流量检测仪表不但体积小,具有友好的人机界面,而且反应速度快,灵敏度高,测量流速范围为0~6ms.由于可作非接触式安装,无需停流、截管安装,非常适用于一些旧管路计量,还特别适合于有腐蚀性的流体测量,因此受到业内人士的好评,具有很好的前景。