戴 康
(武汉化工学院,武汉市,430074)
摘要 为了提高超声流量计的测量精度,对它的测量原理及计数方法提出了改进意见,并进行了误差分析。最后给出了实践电路。
关键词: 超声波流量计 参量代换补偿 脉冲计数
1 测量原理的改进
1.1 误差产生原因
超声波流量计的时差法测量原理如图1所示。设超声波在静止流体中的传播速度为c、流体的流速为v,传播距离为L,流体流动方向与超声波传播方向的夹角为α。则超声波在流体顺流时的传播时间为t1,在逆流时的传播时间为t2,可以写为
虽然在算式中存在Δt与v之间的正比关系,但同时又包含了产生测量误差声速c的内容。
1.2 消除方法
为了消除声速c引起的误差,可以采用参量代换补偿法。参量代换补偿法的要点是
由于是一个常数,而式中已不再存在声速c的内容,于是保证了B与v之间的线性关系,消除了声速的影响。只要测量t1和t2,通过计算得到B也就得到了流速的v值,因而提高了测量精度。
2 脉冲计数测时方法的改进
2·1 误差产生原因
超声波在流体中的传播时间t,一般采用脉冲计数方法进行测量。如果采用周期为的脉冲进行计数,而得到的计数值为nm,因此t可以写成:
用全微分的方法求得时间t的测量误差式:
算式表明误差分成两个部份,n m dT m是频率不稳定引起的误差。而T mdn m则是由计数误差所引起的。由于dn m=±1,称为±1计数误差,该误差是一般测时方法的主要误差。
因此它不适宜用于测量精度要求高的场合。
2.2 消除方法
为了消除±1计数误差,可以采用游标式测时方法。游标式测时方法,工作原理如图2所示。设超声波探头(1)发射超声波的时刻为tm时刻,而对方超声波探头(2)接受到超声波的时刻为t n。游标式测时方法的工作过程为:在t m时刻,由振荡器(1)产生频率为f m的脉冲序列,除送至计数器C m进行计数,并送至相位检测电路。在t n时刻,由振荡器(2)产生频率为f n的脉冲序列,送至计数器C n进行计数,也送至相位检测电路。当相位检测电路发现两个脉冲序列的相位重合式变相时,立即记录两个计数器的计数值n m和n n,显然超声波的传播时间t可以写为:
式中,说明ΔT由两个频率的周期决定(T m>T n)。由于ΔT是n n计数的最小单位,因此它是游标式测时方法的分辨率,并可定义为R。显然这里的R值与一般测时方法的±1计数误差相比,是显著的减小了。例如:当频率f n=10KHz的脉冲序列,用于一般测时方法,对应的±1计数误差为10 - 4 S,而增加一组频率为f n=10.1KHz的脉冲序列,用于游标式测时方法,所得到的分辨率R值为10-6 S。两者相比缩小了100倍。
3 速度测量误差
由于频率不稳定度可以做到10-7。因此在游标式测时法中,所产生的分辨率R,仍是决定时间测量的主要误差。因此可以通过下式求得时间误差对速度误差的影响
假定t 1=t 2=t,即在静止流体中,并因t R。所以:
由式可以得到以下结论:
(1)时间分辨率R与速度相对误差之间具有正比关系。由于游标式测时法的分辨率R值大大低于一般测时法的±1计数误差,因此使超声波流量计的测量精度得到明显提高。
(2)在相等的值条件下,分辨率R与传播时间t之间可以同步变小。由于R的大大变小,使相应的t也可以变小,其结果是超声波流量计可以适用于小管道的流量测量。例如:假定R=10-7 S,t=2×10-5 S,对应的=1%,在测量液体,并α=30°的情况下,管道直径约为7mm左右。
(3)代入不同的R及t值后,可以得到不同的值,并用图3表示。由于ΔVV与t之间的反比关系,在图3中,在t的逐渐增大情况下,将逐渐趋于平缓。显然在采用游标式测时法后,因R值的大大变小,而使平缓的区域能进一步扩大。例如:在R=0.04μs时,t>100μs的值趋于常数,这个特性对仪表的实际使用是十分有利的。
总之,由于采用游标式测时方法,固减小了分辨率R值,使超声波流量计性能变得更为优越。
4 实践电路
实践电路由8031单片机及其外围器件共同组成,如图4所示
在8031的P1·3口控制下使外围器件复位,它的P1·1口使一对超声波探头轮流处于发射或接受状态。当LM1812的P口处于高电平时,探头处于发射状态。采用两个74123组成两个振荡器分别产生频率为fm及fn的两组脉冲序列。脉冲计数任务由8031的T 0、T 1计数器担任。在8031的P1·1口为高电平时,使LM-1812(1)处于发射状态,LM-1812(2)为接受状态。然后通过P1·2口触发74121单稳,使LM-1812(1)发射超声波。同时通过O 1,使74123(1)产生频率为f m的脉冲序列。f m脉冲不仅由8031的T 0进行计数,同时送至相位检测电路MC-4044。当LM-1812(2)接受到超声波信号时,由其Q口产生脉冲信号通过O3,O2触发74123(2)产生频率为fn的脉冲序列,f n脉冲由8031的T 1进行计数,同时也送至相位检测电路。当相位检测电路发现两个脉冲序列的相位一致或变相时,向8031的P1·0口发出指令信号,记录两个计数值nm,nn及进行t1=Tmnm-Tnnn的计算,由P1·3口控制外围器件复位。在检测t2时间时,P1·1口处于高电平,其它情况类似上述工作。最后根据t1和t2值,计算出流体的流速V值。
5 结束语
以上讨论说明了对超声波流量计的测量方法改进是十分必要的。测量原理的改进可使声速对测量精度的影响得以消除。而测时方法的改进则可以大大减小测时的分辨率R值,这样可以直接提高流速的测量精度,可以使超声波流量计应用于小口径管道的流量测量,而且可以做到在较宽范围的传播时间t内,具有近似的测量误差,而为仪表的实际应用提供了方便。实践证明,以上各项讨论是正确的。
