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短管式超声波流量计的研究

高荣艳  
【摘要】:超声波流量计是利用超声波在流体中传播时载有流体信息的原理,把信号经过接收处理及运算转化成流量。随着超声波技术研究的不断深入,其应用变得越来越广泛,已成为工业检测系统中重要的测量仪表。常用的有外夹式,插入式、管段式等,本课题短管式超声流量计,把探头和专门制作的测量管组成一体,再置于管道内,进行流量的测量,主要用于油田注水井流量测量。 目前基于传播时间差的超声波流量计应用比较广泛,影响该型流量计测量精度的关键是传播时间的测量精度,因此必须采用高精度的传播时间测量方法确保流量计精度。传统的超声流量计精度不高、受温度影响较大。针对以上问题,本文设计的短管式超声波流量计以双STC单片机为核心,把探头和专门制作的测量管组成一体,探头直接与流体接触,减小信号衰减。考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制,从硬件电路设计角度出发,采用单片机外部硬件扩展计数电路,通过升高计数的参考频率来提高系统的计时精度,选用高速CMOS计数器74AC161和133MHz高精度、高稳定度的频率振荡器,其成本较低,电路简单,同时也提高了系统精度。采用改进型时间差算法,将影响测量精度的超声波传播速度剔除,保证了测量又确保较高的准确性,避免超声波随温度变化对测量的影响。 超声波在流体中的传播时间差是纳秒级的,要想准确测量比较有难度,这里采用多脉冲时间差法进行测量,避免测量微小数量级的时间差,改为测量N个时间差之和,同时设计了阈值电路,过零电路来准确确定超声信号发射和接收时刻,减小测量误差,提高测量精度,增强了抗干扰能力。利用现有条件,对多脉冲时间差的测量进行试验,采用平均数字滤波方法对数据进行分析。结果表明,该超声流量计具有高的准确度和可靠性,保证了测量精度,简化了电路设计,大大降低了设计成本,达到了预期设计要求。


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