超声波流量计口径

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兰州理工大学电信学院毕业设计说明书0第一章绪论1.1流量计的发展概述自古以来测量都是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利，化工，农业，石油，冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为依据，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究成果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置；1911~1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展。第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。我国开展近代流量测量的技术比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面。与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。1.2超声波流量计的概述1.2.1超声波流量计的发展和现状超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。1931年，O.Rutten发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考文献。但是要使超声波流量计具有一定的精度，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高。1955年，应用声循环法MAXSON流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量的测量，标志着超声波流量计已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。兰州理工大学电信学院毕业设计说明书1进入20世纪的70年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术（PLL）的出现和应用，为超声波流量计的可靠性提供了基本的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。当今全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家,这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和推广方面积累了丰富的经验，再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制造领域的优势，使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额，并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势。我国超声波流量计的研究起步较晚，目前我国超声波流量计的研究和生产仍比较落后的，尽管近年来随着国外各大超声波流量计生产公司的产品纷纷进入我国的市场，也带动了国内超声流量测量研究的发展，但是从总体上说，我们现有的技术还和国际先进水平有较大差距，在国内市场中，高精度的超声波流量计还是国外品牌的天下，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面。1.2.2超声波流量计的特点超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，相对于传统流量计而言，它主要具有一下特点：①可作非接触测量。夹装式超声波流量计无需停流截管安装，只要在管道外部安装换能器即可，为无流动阻挠测
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实验结果我们改变换能器T1、T2之间距离L，分别测量了距离为20cm、25cm、30cm、50cm、80cm、100cm时ts和tr的测量值，每个距离记录五组数据。（ts、tr、△t单位均为μs；温度为30℃）结果分析从实验的结果来看st与nt不是完全相等，差值在0～2μs之间，这是因为噪声的存在，包括电路的延迟、以及系统硬件性能等造成的。在测量中，最大的相对误差e为0.2％，远小于1％。所以，实验结果表明本设计在超声波传播时间的测量精度上已经达到了我们的设计要求。谢谢模板来自于/*模板来自于*时差法超声波流量计4总体设计3时差法原理21概述及超声波流量计简介超声波流量计分类目录录5硬件、软件设计6实验研究一、概述及超声波流量计简介自古以来流量测量都是人类文明一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。目前我国的流量装置方面，与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求。超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。ARC(AuotmationResearchCorp)2001年给出2001-2005年超声波流量计的年复合增长率（CompoundAnnualGrowthRate,CARG）为10.5,远远高于其它流量计的增长率。特点：①可作非接触测量②适用于大型圆形管道和矩形管道③对介质几乎无要求二、超声波流量计分类1、多普勒法多普勒效应多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。2、波束偏移法波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。3、噪声法4、相关法三、时差法原理流量单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流体流量可用单位时间内流过通道横截面的流体体积或质量来表示，前者称为体积流量，用Q表示，单位为m3/s，后者成为质量流量，用G表示，单位为kg/s。超声波特性超声波通常指频率高于20KHz的机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们只以水为介质进行分析。超声换能器的结构及原理当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。时差法时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。流速分布修正雷诺数（Re）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体流动状态的一个判断依据。折射角θ修正θ角随流体中声速C的变化而变化，而C又是流体温度的函数。因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。和为已知量，C为超声波在被测流体中的传播速度，是温度的变量。这样就可以通过修正后的C对θ进行修正了。四、总体设计换能器安装本设计中，我们的换能器将采用V字型安装，这样可以提高系统的分辨率，发射、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不均匀的误差，测时原理假如所测管径为d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度1450m/s；发射角θ为45°。当流体流速为v=1m/s时：t1＝97.484μs，t2＝97.579μs，△t＝95ns。如果要求系统测量精度为1％，则测量分辨率至少应达到1ns，那么就需要采用1000MHz的时钟脉冲计数来计时。这样高频率时钟电路和计数电路都难
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技术要求：
⑴应无损伤，附件齐全；
⑵无异常；
⑶供电电源：10-36VDC
检测工具及方法：
检测工具：五位半数字万用表或便携式超声波流量计
方法：直接测量法(固定式超声波流量计，通常都有4～20mA信号输出等功能，供远传显示使用。
超声波流量计常见故障及处理：
故障现象
故障原因
处理方法
读数不稳定变化剧烈
安装超声波流量传感器的管道振动大或存在改变流态装置(如流量计安装在调节阀、泵、缩流孔的下流)
将流量传感器改装在远离振动源的地方或移至改变流态装置的上游
读数不准确，误差大
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在工业生产中的流量计测量，除了正常的固定式的管道类型的流量测量装置，也经常会遇到一些并不适用于管道安装，或者是临时性，机动性的流量测量需求，在这种情况下外夹式超声波流量计就可以有用武之地了，因为超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，且便于安装，所以受到普遍的欢迎。不过，超声波流量计的安装条件较为严格，安装方法的正确与否也对于数据的测量有着重要的影响。以下就为朋友做相关的介绍：
外夹式传感器（也就是两个探头）的安装方式在一般的情况下有两种，分别是V型安装和Z型安装。
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面板式流量计具有透明度高、读数直观（标准水直接读数）、不易破裂、重量轻、寿命长、安装连接方便等特点。
注：管外接材质可按用户要求选用ABS，H62，1Cr18Ni9Ti或316L等。
浮子材质可选用316L或有机玻璃。
导杆材质可选用316L。
阀体材质可选用H62镀铬或1Cr18Ni9Ti
内外接罗纹尺寸可按用户要求定制，希望在订货时说明。
该流量计不能用于测量含有芳烃、氧化烃、酒精、汽油等有机溶剂
四、容积式流量计
1、容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
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超声波流量计一、气体超声波流量计原理及相关知识二、丹尼尔超声波流量计技术特点三、MarkIII电子单元四、CUI软件介绍五、S600六、超声波流量计的投运七、注意事项八、常见故障及处理一、超声波流量计结构和计量原理结构原理：气体超声流量计采用绝对数字时间差法，是通过测量高频声脉冲在气体中顺流传播和逆流传播的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的速度式流量计当管道中有气体流过时，传感器1和传感器2所发射的超声波脉冲分别被传感器2和传感器1接受，由于超声波脉冲在气流中传播速度受到气流的影响，导致超声波脉冲顺流传播的速度要比逆流时快，在超声波声道长度内，其顺流、逆流方向的传播时间分别为：沿声程测得的被测气体的平均流速：表示被测气体的平均流速，这是沿声道长度上的平均的线性加权的气体流速，需进行气体流速的修正，得出计算气体流量的方程式：qf工况体积流量，m3/s；A管道流通面积，m2；ts超声波顺流传播的时间，s；tn超声波逆流传播的时间，s；L超声波在传感器之间的声道长度，m；D管道内径，m；θ管轴线与传感器声道之间的夹角；K速度分布剖面的修正系数；利用流量计算机计算出的压缩因子和温度/压力变送器来的温压信号对气体超声波流量计来的流量信号进行体积修正，从而得到标况下的流量。流量计本身的超声波工作范围在80–180KHz之间，中心频率为120KHz。流量与流体的流速和截面积有关 声波的基本知识什么是声波?声波是一种机械辐射能,它以实际物质为载体的纵向压力波(注意它不是一种横截面或横向波).声波是如何产生的?当振动体与介质相接触时,便产生声波声波的频率(Hz)单位时间内通过某一给定点的声波的数量叫声波的频率声波的速度速度是指声波通过某一介质的速率(米/秒,英尺/秒),它是独立于频率的一个概念介质的弹性越大,声波传播的速度越快介质的密度越大,声波传输的速度越慢如果气体的密度已知的话,声波的速度是可以计算出来的声波的波长波长等于声波的速度除以声波的频率声波的强度随介质的密度降低而变弱超声波是高频率的声波人类可以通过听觉感知到的声波频率范围从20到20,000Hz超声波的频率在20,000Hz以上丹尼尔超声波流量计的工作频率是120KHz为什么使用超声波?能够聚焦成一束光在管道经常产生的干扰频率(60HZ)之上超声波的产生和检测压电晶体制成的传感器用来产生和感测超声波信号压电晶体的反向效应用来产生超声波振动压电晶体的正向效应用来感测超声波振动二、丹尼尔气体超声波流量计技术特点直射式直射式（从加工上来说有更高的加工精度以及对电子单元的更高要求。相对于反射式声道更短，传输时间更短），不易受管道内部污垢的影响）（脏表比较）独特的声道布置独特的声道布置能够更准确地体现流体流态（GRI的测试），同时可以有效消除漩涡流的影响；水平的声道布置不会造成凝析液的积聚;表体一次铸造成型，没有焊缝表体一次铸造成型，没有焊缝，能最大限度减小温度变化带来的表体几何尺寸的影响。噪声的数字滤波处理调节阀产生噪声的数字虑波处理（对超声波信号取平均值，从而可以滤除噪声）MarkIII电子单元MarkIII电子单元（一套电子单元适用于所有的超声波流量计，压力温度输入可以实现表体内径的补偿）时间直通式原理的技术特点DANIEL超声波流量计是时间直通式超声流量计 声波由一个探头发射另一个接收，不经管壁反射声波由上游向下游传输的时间(由于声波被气流推动)小于声波由下游向上游传输的时间(声波被气流反向阻挡)这两个时间之差与气流的速度存在某种关系从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度三、MarkIII电子数据处理单元CPU板终端板放大器板MarkIICPU主板电源板本安接口板现场接线板诊断和接口板四、CUI软件DANIELCUI是基于Windows操作系统的软件，可为用户呈现：流速剖面、各声道的声速、增益、信噪比连接PC机与超声流量计之间的RS232（以太网）通讯电缆，在PC机中运行“DanielCUIMARKIII”软件，点击“connect（连接）”按钮，建立PC机与超声流量计之间的通讯。以太网连接要知道超声的网址(必须有密匙)。Meteroutput:指流量计测量出来的工况流量的大小Chordvelocities:指各个声道所测量出来的介质流速ChordSOS:指各个声道的声
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