时差法 超声波流量计 初步设计课件

时差法超声波流量计的初步设计一、时差法原理及总体方案设计二、方案的论证及器件的选型三、系统的硬件电路初步设计四、需要解决的问题

一时差法原理及总体方案设计

直接时差法原理原理：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：式中X是两个换能器在管线方向上的间距。为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：上式可简化为

也就是流体的流速为：

流量Q可以表示为总体设计时差法超声波流量计系统框图超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。系统总体框图系统框图这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播的时间，并通过并行口送到主单片机上。主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到LCD上显示出来。超声波超声波的传播速度超声波在水中的传播速度不但温度有关，还受水深h和水中含盐量S的影响。换能器的安装对时差法超声波流量计来说，超声换能器在管道上的安装位置通常有二种不同形式:平行式、Z型、V型。平行安装的超声波换能器位十管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的;z型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用;

V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在国际上流行的两个换能器安装在同一侧的设计。所以，在本设计中，我们的换能器将采用单通道(即只采用一对探头)V字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，单通道形式可以消除由十双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。综上所述换能器的安装选择V型的。决了外贴式流量计在测量中的一个难题。测量精度也比其它超声波流量计要高，但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。③插入式插入式超声波流量计介于上述两者中间。在安装上可以不断流，利用专门工具在有水的管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。由十换能器在管道内，其信号的发射、接受只经过被测介质，不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。换能器选择的其他因素考虑中心频率贴射角发射强度发射/接收系统硬件逻辑框图在设计中，我们设计的发射和接收电路都分别只有一个，通过继电器进行顺逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。超声波发射电路超声波接收电路

发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量，在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。3.2信号处理电路和MCU外围电路3.2.1数据存储电路3.2.2时钟电路3.2.3液晶显示电路3.2.4无线数据收发电路4.2硬件设计方面4.2.1信号处理电路和MCU外围电路的具体电路的设计。4.2.2流量显示及累计系统的电路设计4.2.3硬件抗干扰电路的设计4.2.3电路的PCB的设计4.3软件方面4.3.1系统软件流程图的绘