一種小流量超聲波流量系統及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于流量檢測計算領域，尤其設及一種小流量超聲波流量系統及測量方 法。
【背景技術】
[0002] 超聲波流量檢測可分為傳播時間法、多普勒效應法、相關法、波束偏移法及噪聲法 等不同類型的流量測量方法，超聲波流量測量方法中的時差法和多普勒法是應用最廣泛 的。多普勒法利用的是聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體的超聲波多普勒頻 移來確定流體的流量，其基本條件是被測流體中必須存在足夠的、具有反射能力的懸浮顆 粒或者氣泡，因此應用上有一定的局限性。流量傳感器在實際測量的過程中，由于多種因素 會導值時差發和變化，即帶來測量誤差，主要誤差因素有；流量傳感器的管壁誘蝕程度、水 中雜質含量、管道振動等因素將影響流量計的精度；溫度、介質的變化會導致聲傳播效率的 變化，即接收超聲波幅值變化較大，也可能影響測量精度；壓電換能器與聲模的禪合方式不 同，振動、溫度變化等因素會導致聲波幅值及時間表變化；空管注入液體介質及介質中可能 的汽泡會使管壁及聲模表面附著汽泡，從而使聲波幅值及時差發生變化。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于提供一種小流量超聲波流量系統及測量方法，旨在解決流量傳 感器在實際測量的過程中，由于多種因素會導值時差發和變化，即帶來測量誤差的問題。
[0004] 本發明是該樣實現的，該小流量超聲波流量系統包括;MCU模塊、LCD模塊、存儲 器、上位機通信模塊、GP2模塊、模擬開關、隔直、選頻器、放大器、比較器、超聲換能器；
[0005] MCU模塊用于對各模塊進行控制，接收各模塊的數據并進行運算處理；LCD模塊與 MCU模塊相連接，用于對MCU模塊產生的數據進行顯示；存儲器與MCU模塊相連接，用于與 MCU模塊進行雙向通訊，并對產生的數據進行保存；上位機通信模塊與MCU模塊相連接，用 于與MCU模塊進行雙向數據交換；GP2模塊與MCU模塊相連接，用于向MCU模塊發送測量數 據并接受來自MCU模塊的指令；GP2模塊還與模擬開關相連接，并向模擬開關發送激勵脈 沖；模擬開關的輸出端與隔直、選頻器相連接，并向隔直、選頻器發送回波信號；隔直、選頻 器與放大器相連接，對產生的噪聲信號進行放大；放大器與比較器相連接，比較器采用非過 零比較觸發，對方波信號進行整形；比較器的輸出端與GP2模塊相連接，用于將整形后的信 號傳輸到GP2模塊；超聲換能器設置在水面W下，與模擬開關進行連接，用于接收水中的超 聲波并進行輸出。
[0006] 本發明還采取如下技術措施：
[0007] 所述的超聲換能器包括；殼體、換能器本體、反射塊；
[000引殼體為圓柱形結構，殼體的底部固定安裝有反射塊，反射塊設為梯形結構，反射塊 的頂面設置為弧形；反射塊的側邊上固定有換能器本體，換能器本體的末端穿過，殼體的外 殼并與殼體外殼垂直設置。
[0009] 所述的反射塊的頂面還可設置為與水平面呈固定夾角的傾斜面結構。
[0010] 小流量超聲波流量計的測量方法，其特征在于，該測量方法如下所述；在河邊設置 兩個超聲換能器，兩個超聲波換能器呈"V"型安裝，夾角為：e，水流速度 設為：2^兩個超聲波之間的奔程距離為：L,則得到超多波順流傳播時間為： 二 C+rsinO
[0011] 所述的兩個超聲波換能器還能設為"Z"型或"W"型安裝。
[0012] 反射面產生汽泡和雜質存留原因是：液體在反射面處截面突然擴大，壓力急劇下 降，反射面處的流速幾乎為零，故汽泡和雜質不能帶走，容易在反射面產生汽泡和雜質存 留。通過在在反射面之前，增加一向下引流措施，即水平線與斜線間增加弧形或斜線過渡， 使反射面處液體有一定流速，從而能帶走汽泡和雜質。
[001引
某些聲學特性與靜止介質中的聲學特性不同，超聲波的聲學特性隨流速不同而變化的原理 來測量流量的，實際使用中時差法是通過測量超聲波順流和逆流傳播時間的時差來反應流 速，不受介質、溫度和雜質的影響，不受入射波幅值影響，反射波幅值變化50 %，時差變化小 于50pS。GP2模塊給出超聲換能器信號，接收流量測量的時間信號。超聲換能器信號轉換 為GP2間的模擬電路，則將換能器接收信號轉換為GP2所需的STOP信號。
[0014] 系統設計中時間測量主要由TDC-GP21巧片完成，其分辨率45ps，采用無引腳封 裝，具有高速脈沖發生器，停止信號使能，精度為IOns的時間窗功能；時差法超聲流量計量 程比寬，其分辨率與滿量程比可達1:10000。
[0015] 超聲是指頻率高出20KHZ的彈性振動，該種振動W波的形式在介質中的傳播過程 就形成超聲波。超聲波在流體中傳播速度等于被測流體的平均速度和聲速的矢量和，超聲 波測量流量正是基于該一基本原理設計而成。當超聲波入射到流體后，在流體中傳播就載 有流體的流速信息，利用接收到的折射波和反射波就可W測量流體的流速。超聲換能器接 收超聲波后輸出為正弦波信號，而GP2計時所接收信號為方波上下沿觸發，因此正弦波信 號需整形方波，電路中要用比較器進行整形。為避免電路的干擾導致非正常觸發，采用非過 零比較觸發。超聲換能器接收超聲波后輸出信號較小且可能有噪聲，故在比較器之前加有 放大濾波電路。采用非過零比較來取得超聲信號傳播的時間值，由于超聲信號傳感器對因 為效率而導致的誤差，W及由于非過零比較信號導致的超聲信號傳播物理響應帶來的誤差 通過一組多參數優化方法來補償，通過數據處理方法消除了該方面的影響。
[0016] 本發明具有的優點和積極效果是；采用時差法超聲流量計，壓損小、無腐蝕、不堵 塞；采用補償措施，消除溫度對聲速、水密度影響W及非線性誤差；采用弧形的聲模結構和 制作工藝，使聲模性能穩定，不受溫度、振動影響；采用電路、軟件抗干擾措施W及獨特的流 場設計，在極端情況下，靜水零點變化小于50pS;經過了溫度、振動沖擊和雜質實驗，產品 質量穩定可靠；采用弧形或者過渡的流場結構，使聲波傳輸范圍內的流場穩定，流量計重復 性好，波動小；弧形或者過渡的流場結構和聲模處理措施，使聲模表面在任何情況下不會有 汽泡產生，管道中的汽泡和雜技對聲波傳輸影響小，使流量計具有較高的精度和較廣的適 應范圍。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明實施例提供的小流量超聲波流量系統的結構示意圖；
[0018] 圖2是本發明實施例提供的超聲換能器的結構示意圖；
[0019] 圖3是本發明實施例提供的超聲換能器的剖視圖；
[0020] 圖4是本發明實施例提供的小流量超聲波流量測量方法原理圖；
[0021] 圖中；1、MCU模塊；2、LCD模塊；3、存儲器；4、上位機通信模塊；5、GP2模塊；6、模 擬開關；7、隔直、選頻器；8、放大器；9、比較器；10、超聲換能器；11、殼體；12、換能器本體； 13、反射塊。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0023] 下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。如圖1至圖4所 示；該小流量超聲波流量系統包括;MCU模塊ULCD模塊2、存儲器3、上位機通信模塊4、GP2 模塊5、模擬開關6、隔直、選頻器7、放大器8、比較器9、超聲換能器10 ;
[0024] MCU模塊1用于對各模塊進行控制，接收各模塊的數據并進行運算處理；LCD模塊 2與MCU模塊1相連接，用于對MCU模塊1產生的數據進行顯示；存儲器3與MCU模塊1相 連接，用于與MCU模塊1進行雙向通訊，并對產生的數據