專利名稱:多聲路時差式超聲波流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種用于水電站或大型輸水、供水工程中監(jiān)測大口徑流道 內(nèi)水流量的多聲路時差式超聲流量計,其采用一種高精度、超聲波多脈沖測量 技術(shù),將有效提高流量的測量精度。二、 背景技術(shù)在我國的大型水電站或大型輸水、供水工程中,需要能監(jiān)測大型流道內(nèi)水 流量的多聲路時差式超聲波流量計。目前國內(nèi)、國外已有的多聲路時差式超聲 波流量計,都是采用多個聲路(通道)的發(fā)射共用一個發(fā)射機,多個聲路(通 道)的發(fā)射信號、接收信號是通過繼電器來切換的,由于繼電器的閉合或斷開 需要消耗一定的延時(10ms級的延時),就限制了超聲波發(fā)射與接收的多脈沖 測量;另外,多個聲路(通道)共用一個發(fā)射機, 一方面,限制了超聲波多脈 沖測量;另一方面,因發(fā)射機的發(fā)射電壓往往較高(400V或1000V脈沖信號), 如果發(fā)射機發(fā)生故障,所有聲路(通道)都將無法工作。繼電器作為聲路切換 器件,其動作次數(shù)是有限的,動作次數(shù)為108數(shù)量級,如切換過快其工作壽命及 可靠性都將降低。另外,水銀繼電器安裝位置有方向性, 一般需豎直放置才能 工作,不符合環(huán)保要求等缺陷,國際上已逐步停產(chǎn)。由于大型流道流量測量場合大部分平直段較短,流道內(nèi)呈現(xiàn)脈動流狀態(tài), 流速分布在空間及時間上都是變化的。目前國內(nèi)、國外巳有的多聲路時差式超 聲波流量計,由于繼電器10ms級的延時,不能在同一時刻對一個聲路的正向和 逆向傳播時間進(jìn)行測量;而且聲路越多延時也越大,這樣就先法在同一時刻對 流道內(nèi)的流速分布進(jìn)行采樣,造成了測量精度無法有效提高的問題。例如,一 臺8聲路流量計,繼電器延時高達(dá)160ms,若流速為10米/秒時,采樣初期的 "流速分布剖面"已前行1.6米。實際上通過觀察可以發(fā)現(xiàn),即使釆用了多達(dá) 8個聲路,測量數(shù)據(jù)仍然波動很大,需經(jīng)長時間平均才能穩(wěn)定,而長時間平均 又會降低流量計的動態(tài)響應(yīng)性能。三、 實用新型內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷,本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供 一種采用并行多發(fā)射機,即每個通道以及每個通道的正逆向都有發(fā)射機,并采3用超聲波多脈沖發(fā)射與接收的流量計硬件,以提高超聲波流量計測量傳播時間 的精度,從而提高超聲波流量計整體的流量測量精度。為了解決上述技術(shù)問題,本實用新型所述的多聲路時差式超聲波流量計, 它包括上游換能器、下游換能器、發(fā)射機、接收機、控制單元及顯示單元,所 述上游換能器和下游換能器分別設(shè)在各個大口徑流道的上游及下游通道內(nèi),并 與發(fā)射機及接收機相連,發(fā)射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現(xiàn) 控制,其特征是每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發(fā)射機及一個 獨立的接收機相連,且各發(fā)射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。上述控制單元包括微處理器(UP)及控制電路、發(fā)射及接收切換電路、帶 通濾波及自動增益控制電路、高速波形釆樣電路、計數(shù)器和晶振時基電路,微 處理器(UP)及控制電路分別與發(fā)射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益控 制電路、高速波形采樣電路、計數(shù)器相連,發(fā)射及接收切換電路通過譯碼總線 與各發(fā)射機及接收機相連進(jìn)行時序控制,來自各接收機的信號接入帶通濾波及 自動增益控制電路迸行處理后再輸入高速波形采樣電路進(jìn)行采樣,帶通濾波及 自動增益控制電路和發(fā)射及接收切換電路還與計數(shù)器連接實現(xiàn)停止和啟動計數(shù) 器,晶振時基電路與計數(shù)器連接提供脈沖時間基準(zhǔn)。本實用新型用于監(jiān)測大型流道的流量,多個聲路(通道)測量使用并行的 高壓脈沖發(fā)射機微處理器(UP)及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發(fā)射機, 來對不同聲路(通道)及不同聲路(通道)中的方向(正向或逆向)進(jìn)行操作。 即每個通道的正、逆向有各自的發(fā)射機及相應(yīng)的接收電路。由于發(fā)射機之間的 切換沒有使用繼電器,因此發(fā)射機之間的切換時間很小(切換時間在微秒級); 這樣可以用多脈沖技術(shù),對各個通道進(jìn)行多次測量,從而提高測量超聲波傳播 時間的精度。由于流道內(nèi)流速分布在空間及時間上的變化具有相當(dāng)大的不確定性,流量 測量實際上是一個統(tǒng)計的球程,通過多脈沖技術(shù),大量采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計平均, 才能獲得髙精度。另外,接收信號中不可避免會出現(xiàn)隨機噪聲,采用多脈沖技 術(shù)也有利于消除噪聲的干擾。多脈沖技術(shù)還有一個優(yōu)點,就是在流道內(nèi)存在泥 沙或氣泡等阻礙超聲波脈沖傳播的物體的情況下,能有效克服信號丟失現(xiàn)象。因此,多聲路時差式超聲波流量計具有對各個測量聲路同時進(jìn)行"零時延" 測量,且能在短時間內(nèi)大量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計平均的多脈沖技術(shù),可以有效提高流量計的測量精度。四、
圖1是本實用新型一個實施例的結(jié)構(gòu)示意框圖, 圖2是測量周期流程圖。五具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明對本實用新型的實施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述,但本實施例 并不用于限制本實用新型,凡是采用本實用新型的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化,均 應(yīng)列入本實用新型的保護(hù)范圍。如圖1所示, 一種多聲路時差式超聲波流量計,它包括上游換能器、下游換 能器、發(fā)射機、接收機、控制單元及顯示單元,其中上游換能器和下游換能器 分別設(shè)在各個大口徑流道的上游及下游通道內(nèi),并與發(fā)射機及接收機相連,發(fā) 射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現(xiàn)控制,每個上游換能器和下 游換能器都與一個獨立的發(fā)射機及一個獨立的接收機相連,且各發(fā)射機和接收 機相互并行連接至控制單元并受其控制??刂茊卧ㄎ⑻幚砥?uP)、發(fā)射及 接收切換電路、帶通濾波及自動增益控制電路、高速波形采樣電路、計數(shù)器和 晶振時基電路,微處理器(uP)分別與發(fā)射及接收切換電路、帶通濾波及自動 增益控制電路、高速波形采樣電路、計數(shù)器相連對,發(fā)射及接收切換電路通過 譯碼總線與各發(fā)射機及接收機相連進(jìn)行時序控制,來自各接收機的信號接入帶 通濾波及自動增益控制電路進(jìn)行處理后再輸入高速波形采樣電路進(jìn)行采樣,帶 通濾波及自動增益控制電路和發(fā)射及接收切換電路還與計數(shù)器連接實現(xiàn)停止和 啟動計數(shù)器,晶振時基電路與計數(shù)器連接提供脈沖時間基準(zhǔn)。微處理器(uP)及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發(fā)射機,來對不同聲 路(通道)及不同聲路(通道)中的方向(正向或逆向)進(jìn)行操作;并可以用 多脈沖技術(shù),對各個通道進(jìn)行多次測量,從而提高測量超聲波傳播時間的精度。工作中,微處理器(uP)通過通訊口按一定周期接收顯示單元的數(shù)據(jù)及命 令,接收到數(shù)據(jù)及命令后,微處理器(uP)經(jīng)控制電路,發(fā)射及接收切換電路, 生成通道的發(fā)射機地址和接收機地址,并啟動發(fā)射機發(fā)射信號,在啟動發(fā)射機 的同時,啟動計數(shù)器,對高頻率時基(頻率,80MHz;周期,12.5ns)計數(shù), 例如,對于第一通道當(dāng)進(jìn)行正向測量時,譯碼總線選通發(fā)射機1和接收機2,此時發(fā)射機1發(fā)射高壓脈沖至上游超聲波換能器,超聲波便在水中傳播,到達(dá)下游換能器,經(jīng) 接收機2,進(jìn)入帶通濾波及自動增益控制電路,微處理器(uP)會自動將接收 信號放大到有效的幅值,在信號到達(dá)前,自動啟動高速波形采樣,當(dāng)信號幅度 達(dá)到某個域值,停止計數(shù)器計數(shù),并通知微處理器(uP)讀取該計數(shù)值,讀到 的計數(shù)值乘以時基周期即為時間,再扣除電路中的延時,就是超聲波從上游換 能器發(fā)射至下游換能器接收到的傳播時間,稱為正向傳播時間。當(dāng)對第一通道逆向進(jìn)行測量時,譯碼總線選通發(fā)射機2和接收機1,此時 發(fā)射機2發(fā)射高壓脈沖至上游超聲波換能器,經(jīng)接收機l,進(jìn)入帶通濾波及自 動增益控制電路,這樣可以得到超聲波從下游換能器發(fā)射至上游換能器接收到 的傳播時間,稱為逆向傳播時間。根據(jù)正、逆向傳播時間,可以得到該通道的水流速,以此類推,測出多個 通道的流速,將流速對斷面面積積分,可以計算出斷面流量。圖2是測量周期 流程圖。采樣到的超聲波信號波形,還可以用于換能器的診斷。由于采用了并行發(fā)射機,發(fā)射機與發(fā)射機間的能快速切換,這樣可以連續(xù) 不斷地對某個通道或多個通道進(jìn)行多脈沖循環(huán)測量,多次測量可以明顯提高正、 逆向傳播時間的測量精度,從而提高流速的測量精度,亦即可提高流量的測量 精度。本實用新型的工作流程1. 首先,顯示控制單元發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)及命令至UP及控制電路模件。2. UP及控制電路模件收到數(shù)據(jù)及命令后,進(jìn)行所有的聲路測量,測量超聲波 傳播時間。每個聲路測量的詳細(xì)步驟為> UP通過選擇發(fā)射機和對應(yīng)的接收機,選通某個通道的兩個換能器; >清零傳播時間計數(shù)器;>開放脈沖發(fā)射機;>發(fā)射機發(fā)出一個高壓脈沖,驅(qū)動發(fā)射換能器,同時啟動傳播時間計數(shù);> UP及控制電路根據(jù)換能器的發(fā)射頻率自動對接收信號濾波以及自動將 接收信號放大的最佳幅值;>根據(jù)當(dāng)前的聲路長度,預(yù)估信號到達(dá)的時間,并在信號最早可能到達(dá)的時間點之前,打開接收電路; >高速采樣接收信號的波形; >檢測接收信號的第一個負(fù)半波; >在接收信號到達(dá)時,停止傳播時間計數(shù);
>判斷該聲路測量是否準(zhǔn)確,接收到的信號是否正常,并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志;
>進(jìn)行下個聲路的測量; 3、將測量得到的數(shù)據(jù)上傳到顯示控制單元,顯示單元進(jìn)行相關(guān)的計算,并更新 顯示以及相關(guān)的輸出。
權(quán)利要求1、一種多聲路時差式超聲波流量計,它包括上游換能器、下游換能器、發(fā)射機、接收機、控制單元及顯示單元,所述上游換能器和下游換能器分別設(shè)在各個大口徑流道的上游及下游通道內(nèi),并與發(fā)射機及接收機相連,發(fā)射機及接收機依次與控制單元及顯示單元連接實現(xiàn)控制,其特征是每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發(fā)射機及一個獨立的接收機相連,且各發(fā)射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述多聲路時差式超聲波流量計,其特征是所述控制 單元包括微處理器UP及控制電路、發(fā)射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益 控制電路、高速波形釆樣電路、計數(shù)器和晶振時基電路;微處理器UP及控制電 路分別與發(fā)射及接收切換電路、帶通濾波及自動增益控制電路、高速波形采樣 電路、計數(shù)器相連,發(fā)射及接收切換電路通過譯碼總線與各發(fā)射機及接收機相連 進(jìn)行時序控制,來自各接收機的信號接入帶通濾波及自動增益控制電路進(jìn)行處 理后再輸入高速波形采樣電路進(jìn)行采樣,帶通濾波及自動增益控制電路和發(fā)射 及接收切換電路還與計數(shù)器連接實現(xiàn)停止和啟動計數(shù)器,晶振時基電路與計數(shù) 器連接提供脈沖時間基準(zhǔn)。
專利摘要本實用新型公開了一種多聲路時差式超聲波流量計,它包括上游換能器、下游換能器、發(fā)射機、接收機和控制單元,每個上游換能器和下游換能器都與一個獨立的發(fā)射機及一個獨立的接收機相連,且各發(fā)射機和接收機相互并行連接至控制單元并受其控制。本實用新型用于監(jiān)測大型流道的流量,多個聲路測量使用并行的高壓脈沖發(fā)射機微處理器及控制電路通過譯碼總線選擇不同的發(fā)射機,來對不同聲路及不同聲路中的正向或逆向進(jìn)行操作。即每個通道的正、逆向有各自的發(fā)射機及相應(yīng)的接收電路。由于發(fā)射機之間的切換沒有使用繼電器,因此發(fā)射機之間的切換時間很??;這樣可以用多脈沖技術(shù),對各個通道進(jìn)行多次測量,從而提高測量超聲波傳播時間的精度。
文檔編號G01F1/66GK201110773SQ20072004536
公開日2008年9月3日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者徐春榮, 趙學(xué)東 申請人:南京申瑞電氣系統(tǒng)控制有限公司