便携式超声波流量计四篇

便携式超声波流量计 篇1

1.1超声波流量计的现状

超声波流量计是随着现代电子技术的迅猛发展才开始广泛应用的测量仪表。目前, 便携式超声波流量计由于其体积小, 准确度高, 适应范围广, 使用方便而被广泛采用。超声波流量计凭借其运行稳定、计量精度高、非接触测量、安装方便易于管理等优点, 已经在污水处理、石油、电力、化工等行业得到了广泛应用。

1.2超声波流量计工作原理

时差法超声波流量计 (Transit Time Ultrasonic Flowmeter) 其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替 (或同时) 收发超声波, 通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速, 在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。图1中有两个超声波换能器:顺流换能器和逆流换能器, 两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离, 管线的内直径为D, 超声波行走的路径长度为L, 超声波顺流速度为tu, 逆流速度为td, 超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因, 是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短, 其中:c是超声在非流动介质中的声速, V是流体介质的流动速度, 流量Q可以表示为:Q=VF (F为管道截面积)

2便携式超声波流量计特点

目前, 便携式超声波流量计由于其体积小, 准确度高, 适用范围广, 使用方便而被广泛使用。使用较多的场合有:各地水务部门地下水资源计量仪表的在线检测, 环保部门排污计量仪表的在线检测, 供水部门的贸易结算计量仪表的在线检测, 热力公司收费用热水表的在线检测以及工业企业生产工艺中计量仪表的在线检测等。当在线流量计的数据突然发生变化时, 很难判断是流量计的原因还是生产工艺的问题导致。以前的办法通常是拆回原先的流量计、现场安装备用流量计来找出原因。这样既影响生产又加大维修的工作量。现在我们采用便携式超声波流量计来对在线流量计进行现场比对, 这样就可以确定在线流量计本身是否存在问题, 大大减轻了工作量, 提高了生产效率。便携式超声波流量计与固定式超声波流量计的主要区别如表1。

3便携式超声波流量计安装

由于企业现场尤其是管道周围环境复杂性, 降低了便携式超声波流量计的准确度和稳定性, 如何在复杂环境安装便携式超声波流量计就成了检测的一个主要问题。便携式超声波流量计安装时要注意以下两点:

⑴超声波流量计探头安装方式:换能器常见的3种方法为Z法、V法、W法。通常情况下, 管径小于300mm时采用V法安装, 管径大于200mm时或接收到的信号较弱时采用Z法安装。对于Z法、V法均可以采用的换能器, 尽量采用Z法。当管道直径非常小的可采用W法, 但此种方法超声波经多次反射, 接收的信号非常弱, 而且对安装要求较高, 建议尽量不采用。安装夹具和耦合剂, 便携式超声波流量计是用夹装件固定在测量管道的外壁上, 无需管道断流, 安装简便。夹装式探头工作面与管道接触面要涂好耦合剂, 不能有空气和固体颗粒, 要保证效果。微调探头位置以达到信号和传输最好的匹配。

⑵换能器位置的选择:超声波流量计安装换能器时, 在安装前需要了解流量计安装管道的外径、材质、壁厚、衬里及衬里厚度等参数。管道外边应去掉锈迹、涂匀耦合剂, 不能有空隙, 以免超声波被吸收, 影响测量效果。超声波流量计要求管道内液体为满流管。安装时前、后直管段的要求为至少满足前10D后5D (D为管道直径) 。如果上、下游测安装有弯头、渐扩管、渐缩管等阻流件时, 应将超声波流量计上、下游直管段延长到25D-50D。当上、下游管径不能符合要求时, 超声波流量计的测量误差会很大, 实践证明管径越小误差越大。

4数据分析

由于现场流量不宜控制, 采用瞬时流量进行误差比对出入较大, 我们采用累积流量进行, 流速稳定的没5分钟读取一次, 流速不稳定的一小时读取数据一次, 均读5次, 经过数据分析得出比对结果。将便携式超声波流量计安装在水流量标定装置不同管径的管道上进行测试, 由测试的数据可以看出测量的精度为1.5级。由于现场环境因素影响, 精度略有降低, 但也达到2.5级, 达到了预期的效果。

5在线测量产生误差的原因及解决方法

⑴温度:超声波探头由于材质的不同价格差异很大, 由于介质温度较高, 介质的性能会发生变化。因此工作中要考虑探头的温度适应范围, 否则会使测量结果产生误差。另外, 由于温度过高可能短时间内就使耦合剂变稀而降低或失去作用, 造成测量误差。

⑵管径参数:由于超声波流量计的工作原理, 测量结果与管径的面积有关, 因此管径参数非常重要。我们测量的管线由于长时间使用, 管线内部或多或少都会结垢。这些结垢的厚度目前还没有仪器可以准确测量, 因此流量计显示的流量会出现测量误差。所以, 在测量时要根据实际情况尽量获取管径的实际厚度。

⑶电磁场的影响:测量时发现信号受干扰严重, 可以颗粒周围是否有强磁场存在。测量点附近要注意水泵、变频器、变压器等设备存在, 电线电缆等影响也较大。遇到该情况, 只能改变测量点, 选择合适位置。

6结论

综上所述, 便携式超声波流量计可实现不断流测量、测量精度较高、安装方便易于携带等特点。广泛用于各种类型流量计的在线比对, 适应性强、性价比高。随着科技水平的不断发展, 相信便携式超声波流量计的应用空间会越来越广阔。

参考文献

[1]黄彤.石油化工自动化, 2006, 2.

[2]鲍春林.河南化工, 2014, 5.

便携式超声波流量计 篇2

非接触式距离测量的方法有很多种, 如雷达、激光、射线、超声波等[2]。其中, 超声波技术以其不受光、电磁波及粉尘等干扰的特性, 常常受到便携式测距仪设计者的青睐。同时, 基于超声波技术的便携式测距仪拥有成本低、功耗小、精度高等特点, 因此超声波便携式测距仪一直在市场上受到使用者的好评。

1 超声波测距简介

1.1 测距原理

要了解超声波测距的原理, 就必须对超声波的特性进行一定了解。所谓超声波, 即频率高于20Khz的声波。超声波具有穿透性强, 方向性好, 易于获得较为集中的声能等特性。

超声波测距的原理如图1所示。首先, 通过超声波发射装置将超声波脉冲发射出来, 超声波遇到障碍物 (也就是被测物) 后被反射回来, 超声波接收装置对反射回来的超声波脉冲进行探测。若能够测量出发射出超声波脉冲和接收到超声波脉冲的时间差为t, 利用公式 (1) 便可以测算出超声波传感器和障碍物之间的传播距离s。

继而可以通过公式 (2) 计算出实际测量距离d。

由公式 (2) 可知, 当s>>h时, 则存在d≈s。

1.2 温度补偿

在常温下, 空气可以被近似看为理想的气体。由公式 (3) [3]可以算出超声波在空气中的传播速度v。

式中:r为气体的比热比;μ为气体的摩尔质量;R为气体常数;T为热力学温度。

由式 (3) 可知超声波的声速与热力学温度的平方根成正比。因此, 温度越高声速就越大。当温度为0℃的时候, 空气中声速的实测值为331.45m/s, 因此在空气中声速的表达式为:

式中, t为空气温度 (℃) , T0=273.16℃。由公式 (4) 可得, 当温度为25℃时, 声速V=346.285m/s。

由此可知, 当温度在一定范围内变化时, 如0℃-25℃变化, 声速也会随之发生较大的变化, 由公式 (1) 和 (2) 可知, 声速变化会直接导致最终的测量结果变化。因此在设计基于超声波的便携式测距仪时, 需要充分考虑到温度的影响。

1.3 测距系统组成

测距系统由五大部分组成, 即显示及按键部分, 控制部分, 温度检测部分, 超声波模块以及电源部分, 如图2所示。

由电子显示屏对检测的距离数据进行显示, 同时由按键部分控制测量开始。由于存在温度的干扰, 因此需要一个独立的温度精确检测部分。由核心控制部分对超声波模块的信号进行接收处理, 同时结合温度检测系统的数据进行距离测算, 然后将测得的距离数据发送给显示部分进行显示。电源部分针对不同部分的电源需求对各个部分进行供电。

2 超声波模块介绍

2.1 超声波模块选取和简介

现如今, 市面上有很多超声波模块供设计人员选择, 因此, 在设计超声波测距仪时不需要自行设计超声波收发电路。国外的超声波模块主要有SRF02和SRF05两种。这两款模块的探测区间都为15cm-600cm, 通信方式可选用I2C或串口。由于这两种超声波模块的价格十分昂贵, 因此国内出现了一种该系列产品的替代品—HC-SR04, 其外观图如图3所示。

HC-SR04系列的超声波模块具有价格便宜, 功耗低, 接口简单等特性, 其主要电气特性参数如表1所示。

2.2 HC-SR04工作原理

HC-SR04提供四个插脚和外围设备进行通信, 这四个插脚的示意图如图4所示。

由此可知HC-SR04的各管脚功能如下:

⑴1和4管脚为模块的电源管脚;

⑵2管脚为触发引脚;

⑶3管脚为信号接收引脚。

由HC-SR04的使用手册可知, HC-SR04模块的工作原理为如下几个步骤:

⑴采用IO触发测距, IO发出至少持续10us的高电平信号;

⑵模块自动发送8个40Khz的方波, 然后自动检测是否有信号返回;

⑶有信号返回, 通过模块3管脚输出一个高电平。该高电平的持续时间则为超声波从发射到返回的时间。

该超声波模块的整个工作过程如图5所示。

3 硬件电路设计

综合考虑到便携式超声波测距仪的具体使用情况和成本控制, 决定使用AT89C51作为本设计的主控芯片。

3.1 超声波模块电路

结合超声波模块的管脚设定, 所设计的超声波模块电路如图6所示。

如图6所示, 将HC-SR04的触发管脚和单片机的28管脚相接, 因此单片机可以通过该管脚发出一个持续时间大于10us的高电平来触发HC-SR04, 驱动其工作。同时, 将HC-SR04信号输出管脚3和单片机的T0管脚相接, 以此读取回响电平持续时间。从而使HC-SR04模块能够正常工作。

3.2 显示电路

考虑到超声波距离测量仪的便携性, 因此采用时下较为常用的显示模块—LCD1602来显示测距仪的测量结果。该显示屏具有结构紧凑、低功耗、高可靠性以及长寿命等特点。

AT89C51驱动LCD1602的电路图如图7所示。由图7可知, LCD1602的接口电路较为简单, 同时可以通过一个电位器对屏幕亮度进行调节, 因此可以使该测距仪更具有实用性。

3.3 温度测量电路

由1.2节可知, 测试环境温度对测量结果有着较大的影响, 因此检测系统需要一个温度检测部分对检测结果进行校正。

在此选择DS18B20作为温度测量的核心传感器。DS18B20具有结构简单、精度较高、价格低廉以及功耗较低等特性[4]。DS18B20可以直接将所测得的温度信号输入单片机。该芯片所能够测量的范围为-55℃~125℃, 能够满足绝大多数的测量温度要求。由DS18B20组成的测温电路如图8所示。

3.4 开关电路

检测系统中需要一个开关来控制检测的开始。开关电路如图9所示, 单片机的P1.7管脚常为高电平, 当开关按下, 该管脚变为低电平, 因此测量开始。

4 程序设计

在本系统中, 程序设计主要采用模块化的设计, 程序设计主要包括主程序设计、按键扫描子程序设计、测温子程序、距离测算子程序、显示子程序以及延时子程序等。

主程序流程图如图10所示。由于篇幅的限制, 在此就不对各子程序做一一介绍。

6 总结

本文针对现有的距离测量方案的不足提出来便携式超声波测距仪的方案, 充分考虑到便携式测距仪的使用场合和特性, 具有较高的参考价值。

参考文献

[1]阎焕忠, 王长涛, 王鑫, 闵莉.便携式超声波测距仪设计[J].科技广场.2008 (12) .

[2]刘民.超声波测距仪的研制[M].湖北工业大学, 2005 (5) :3-4.

[3]赵珂, 向瑛, 等.高准确度超声波测距仪的研制[J].传感器技术.2003, 22 (2) .

便携式超声波流量计 篇3

关键词 气体流量标准装置 标准表法 控制系统

中图分类号：TH814 文献标识码：A

便携式小型气体流量标准装置的设计初衷是检测服务到现场，其具有体积小巧，重量轻，易拆解等特点。本装置主要适用于膜式燃气表、流量小于260m3/h的容积式、速度式等气体流量计的检定、校准工作。

1 原理及组成

1.1 测量原理

装置是利用标准表组合法测量的气体流量标准。标准表组由三台标准表组成，可以分别进行单独和组合测量，每一块标准表都有独立的管路，测温，测压，数据采集，数据传输系统，通过计算机进行数据处理和控制根据流体的连续测量原理，通过标准流量与被检表的示值比较，实现对被检流量计的检定和校准工作。

1.2 装置的构成

整套装置依据不同的功能可以分为气源及控制系统，标准表系统，管路系统，补偿系统，数据采集处理系统。

气源选用上海的HG2200S型漩涡气泵。控制部分主要用于控制风机转速。

标准表系统主要由两块DN50标准涡轮流量计和一台DN50标准罗茨流量计。

管路系统主要包括DN50标准表管道3条；标准表管路分离罐；标准表管路汇集罐；被检表管路；变径接头；塑料软管；意式超薄型球阀、普通球阀等。

补偿系统主要涉及温度、压力的测量。温度的测量主要依靠四支01029型不锈钢Pt100A级铂电阻温度传感器及0.2级RTT型温度变送器；压力的测量主要由四支0.25级差压传感器和一支0.25级绝压传感器承担。

数据采集处理系统主要分为两部分，一部分是数据采集系统，另一部分是数据处理系统。

2 主要技术措施

2.1 标准器组

为了提升标准流量计的计量准确度，对每台流量计按流量范围分段在线标定确定仪表系数，并对流量计输出加装旋转编码器，保证每一台标准流量计使用流量点的流量测量不确定度在0.5%以内。

2.2 补偿系统

热电阻按10℃间隔，对各点逐个标定其阻值，修正热电阻误差。热电阻插入深度均为管路中心处，保证每支温度传感器的测温可靠。通过以上措施确保不确定度控制在0.2%。

2.3 管路设计

为了减小风机转动引起脉动流和降低流场的扰动，采取了以下措施：通过延长软管增加了风机与标准表系统之间的距离；在标准表与风机之间增加了一个为10L的滞止容器；在涡轮流量计进气口端安装了50cm的直管段。此外还设计了标准表管路汇集罐，实现了多表组合测量。

2.4 气源系统

通过笔记本电脑软件指令可以通过控制变频器来达到控制气泵的转速，实现不同流速的流场。通过测试其流量大于10 m3/h时，其调节流量与预设流量偏差小于5%。

2.5 控制系统

针对检定对象设计了三种检定模式：膜式燃气表、容积式流量计、速度式流量计模式。根据三种流量计类型和对应地检定规程分别设计了温压补偿和数据处理程序；针对现场情况，设计了两种检定方式：自动检定和手动检定。

对于针对不同流量值下，标准表或标准表组的选择系统也做了准备，计算机会根据预设检定流量在检定开始前弹出对话框提醒检定人员打开或关闭相应阀门。

2.6 数学模型

（1）

（2）

2.7 标准表组合测量的不确定度

整套装置测量范围较宽，单个标准流量计难以覆盖整个流量范围，因此需要组合测量。针对50 m3/h以下的流量选择罗茨流量计作为标准，其量程比较宽流量下限小；针对50～200 m3/h之间的流量选择两块涡轮流量计作为标准；针对流量值大于200 m3/h的则三块标准流量计同时启用。

依据并联标准流量计总流量的相对扩展不确定度不会大于标准流量计相对扩展不确定度中最大的那个相对扩展不确定度的理论，并考虑到环境及人为等因素的影响，整套装置的测量不确定度为0.75%（k=2）。

3 结束语

表1

该装置通过音速喷嘴气体流量标准装置检定，整个装置的扩展不确定度为0.75%（k=2）。便携式小型气体流量标准装置研制的成功，使现场检定成为可能，对提高计量服务水平更好的为用户服务有很大帮助。

参考文献

[1] 苏彦勋.梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2007：371-387.

[2] 郭爱华. 标准表法气体流量标准装置[J]. 自动化仪表，2009.08.

[3] 李金海.误差理论与测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2003：120-236.

便携式超声波流量计介绍 篇4

主机技术参数：

※ 测量精度：优于1%

※ 重复性：优于0.2%

※ 测量周期：500ms(每秒2次，每个周期采取128组数据)

※ 电池：内置镍镉充电电池可以连续工作24小时

※ 安装方式:外敷安装，操作简单、方便

※ 显示：2行汉字同屏显示瞬时流量、累计流量、信号状态

※ 信号输出：隔离RS485通信协议、MODBUS协议，兼容国内其它厂家同类产品通讯协议

※ 打印输出：内置热敏一体式打印机，实现及时或定时打印

※ 其它功能：自诊断，提示当前工作状态是否正常