雙聲路氣體流量超聲測量方法及其測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙聲路氣體流量超聲測量方法及其測量裝置。測量方法為，采用兩對(duì)換能器，分別測量出與氣體流向垂直的超聲波傳播時(shí)間及超聲波的逆流、順流傳播時(shí)間，獲得超聲波在該氣體介質(zhì)中的實(shí)際聲速，最后獲得氣體流量。測量裝置包括單片機(jī)單元、時(shí)間測量單元、驅(qū)動(dòng)單元和信號(hào)調(diào)理單元及設(shè)在管道上的兩對(duì)換能器，一對(duì)換能器以管道軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，另一對(duì)換能器分別設(shè)在管道的上游側(cè)及下游側(cè)，單片機(jī)單元經(jīng)時(shí)間測量單元和驅(qū)動(dòng)單元相連，驅(qū)動(dòng)單元分別和兩對(duì)換能器相連，其中三個(gè)換能器又分別經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元和時(shí)間測量單元相連。本發(fā)明消除了溫度、壓力、濕度以及組分等因素對(duì)氣體流量測量值的影響，獲得的氣體流量值精確度高，適用范圍廣。
【專利說明】雙聲路氣體流量超聲測量方法及其測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體流量檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種消除氣體密度對(duì)氣體流量測量的影 響的雙聲路氣體流量超聲測量方法及其測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，隨著傳感器技術(shù)及儀表技術(shù)智能化的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體 流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌恚m用于不同場合的各種形式的超聲波流量計(jì)得到了 廣泛應(yīng)用。根據(jù)工作原理的不同，超聲波流量計(jì)可分為多普勒式超聲波流量計(jì)和時(shí)差式超 聲波流量計(jì)。目前應(yīng)用最廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)，它一般通過安裝一對(duì)換能器實(shí)現(xiàn) 測量，主要用來測量潔凈的流體流量。然而由于氣體密度易受溫度、壓力、濕度以及組分等 因素的影響，使得超聲波在氣體中的傳播速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致目前的超聲波流量計(jì)測量氣體 流量的適應(yīng)性受到限制，造成氣體流量的測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明主要解決原有超聲波流量計(jì)的測量結(jié)果易受氣體溫度、壓力、濕度以及組 分等因素的影響，造成氣體流量的測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確的技術(shù)問題；提供一種雙聲路氣體流 量超聲測量方法及其測量裝置，其消除了氣體溫度、壓力、濕度以及組分等因素的影響，從 而提高氣體流量測量值的準(zhǔn)確性。
[0004] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：本發(fā)明的雙聲路氣 體流量超聲測量方法為：在氣體流經(jīng)的管道上設(shè)有第一換能器、第二換能器、第三換能器和 第四換能器，第一換能器和第二換能器以所述的管道的軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，第四換能 器及第三換能器分別設(shè)在所述的管道的上游側(cè)及下游側(cè)，并且第三換能器與第四換能器的 連線和所述的管道的軸線相交形成夾角Θ;
[0005] 測量超聲波在第一換能器和第二換能器之間的傳播時(shí)間T，得到超聲波在所述氣 體中的傳播速度為
[0006] C = D/T,?
[0007] 其中D為所述的管道的直徑；
[0008] 測量超聲波從第四換能器到第三換能器的順流傳播時(shí)間tl，測量超聲波從第三換 能器到第四換能器的逆流傳播時(shí)間t2,獲得AT = t2-tl，而AT = 2LVCos Θ /C2,②
[0009] 其中L為第三換能器和第四換能器之間的連線長度，V為所述氣體的流速；
[0010] 由式①和②得到V = ATD2/2LT2Cos θ，最后獲得所述氣體的流量為

【權(quán)利要求】
1. 一種雙聲路氣體流量超聲測量方法，其特征在于在氣體流經(jīng)的管道（5)上設(shè)有第一 換能器（1)、第二換能器（2)、第三換能器（3)和第四換能器（4)，第一換能器（1)和第二換 能器（2)以所述的管道（5)的軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，第四換能器（4)及第三換能器（3) 分別設(shè)在所述的管道（5)的上游側(cè)及下游側(cè)，并且第三換能器（3)和第四換能器（4)的連 線與所述的管道（5)的軸線相交形成夾角0 ; 測量超聲波在第一換能器（1)和第二換能器（2)之間的傳播時(shí)間T，得到超聲波在所述 氣體中的傳播速度為 C = D/T，① 其中D為所述的管道（5)的直徑； 測量超聲波從第四換能器（4)到第三換能器（3)的順流傳播時(shí)間tl，測量超聲波從第 三換能器（3)到第四換能器（4)的逆流傳播時(shí)間t2,獲得A T = t2-tl，而A T = 2LVCos 0 / C2,② 其中L為第三換能器（3)和第四換能器（4)之間的連線長度，V為所述氣體的流速； 由式①和②得到V = ATD2/2LT2Cos0，最后獲得所述氣體的流量為
2. -種使用如權(quán)利要求1所述的雙聲路氣體流量超聲測量方法的測量裝置，其特征在 于包括單片機(jī)單元（6)、時(shí)間測量單元（7)、驅(qū)動(dòng)單元（8)和信號(hào)調(diào)理單元及所述的第一換 能器（1)、第二換能器（2)、第三換能器（3)和第四換能器（4)，第一換能器（1)、第二換能器 (2) 、第三換能器（3)和第四換能器（4)分別設(shè)在氣體流經(jīng)的管道（5)上，第一換能器（1)和 第二換能器（2)以所述的管道（5)的軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，第四換能器（4)及第三換能 器（3)分別設(shè)在所述的管道（5)的上游側(cè)及下游側(cè)，并且第三換能器（3)和第四換能器（4) 的連線與所述的管道（5)的軸線相交形成夾角0，所述的單片機(jī)單元（6)和時(shí)間測量單元 (7)相連，時(shí)間測量單元（7)的輸出端和驅(qū)動(dòng)單元（8)的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)單元（8)的輸出 端分別和所述的第一換能器（1)、第三換能器（3)及第四換能器（4)相連，所述的第二換能 器（2)、第三換能器（3)及第四換能器（4)又分別和所述的信號(hào)調(diào)理單元的輸入端相連，信 號(hào)調(diào)理單元的輸出端分別和所述的時(shí)間測量單元（7)的輸入端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于包括第一多路模擬開關(guān)（9)、第二多 路模擬開關(guān)（10)，所述的信號(hào)調(diào)理單元包括第一信號(hào)調(diào)理單元（11)和第二信號(hào)調(diào)理單元 (12)，所述的第一多路模擬開關(guān)（9)及第二多路模擬開關(guān)（10)的控制端分別和所述的單片 機(jī)單元（6)相連；所述的驅(qū)動(dòng)單元（8)的第一輸出端和第一多路模擬開關(guān)（9)的公共端相 連，第一多路模擬開關(guān)（9)的兩路開關(guān)接入端分別和所述的第一換能器（1)及第三換能器 (3) 相連，第一多路模擬開關(guān)（9)的公共端又和所述的第一信號(hào)調(diào)理單元（11)的輸入端相 連，第一信號(hào)調(diào)理單元（11)的輸出端和所述的時(shí)間測量單元（7)的第一輸入端相連；所述 的驅(qū)動(dòng)單元（8)的第二輸出端和第二多路模擬開關(guān)（10)的公共端相連，第二多路模擬開關(guān) (10)的兩路開關(guān)接入端分別和所述的第二換能器（2)及第四換能器（4)相連，第二多路模 擬開關(guān)（10)的公共端又和所述的第二信號(hào)調(diào)理單元（12)的輸入端相連，第二信號(hào)調(diào)理單 元（12)的輸出端和所述的時(shí)間測量單元（7)的第二輸入端相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量裝置，其特征在于所述的時(shí)間測量單元（7)包括時(shí)間測 量芯片U2,時(shí)間測量芯片U2采用GP22時(shí)間測量芯片；所述的驅(qū)動(dòng)單元（8)包括驅(qū)動(dòng)芯片 U3,驅(qū)動(dòng)芯片U3采用ULN2803驅(qū)動(dòng)芯片；所述的第一多路模擬開關(guān)（9)包括多路模擬開關(guān) 芯片U4,所述的第二多路模擬開關(guān)（10)包括多路模擬開關(guān)芯片U5,多路模擬開關(guān)芯片U4 及多路模擬開關(guān)芯片U5均采用⑶74HC4051開關(guān)芯片；時(shí)間測量芯片U2的firel腳和驅(qū)動(dòng) 芯片U3的IB腳相連，驅(qū)動(dòng)芯片U3的IC腳和多路模擬開關(guān)芯片U4的A腳相連，多路模擬 開關(guān)芯片U4的AO腳及Al腳分別和所述的第一換能器⑴及第三換能器（3)相連，多路模 擬開關(guān)芯片U4的A腳和所述的第一信號(hào)調(diào)理單元（11)的輸入端相連，第一信號(hào)調(diào)理單元 (11)的輸出端和時(shí)間測量芯片U2的stopl腳相連，多路模擬開關(guān)芯片U4的SO腳、Sl腳及 S2腳分別和所述的單片機(jī)單元（6)相連；時(shí)間測量芯片U2的fire2腳和驅(qū)動(dòng)芯片U3的2B 腳相連，驅(qū)動(dòng)芯片U3的2C腳和多路模擬開關(guān)芯片U5的A腳相連，多路模擬開關(guān)芯片U5的 AO腳及Al腳分別和所述的第二換能器（2)及第四換能器（4)相連，多路模擬開關(guān)芯片U5 的A腳和所述的第二信號(hào)調(diào)理單元（12)的輸入端相連，第二信號(hào)調(diào)理單元（12)的輸出端 和時(shí)間測量芯片U2的stop2腳相連，多路模擬開關(guān)芯片U5的SO腳、Sl腳及S2腳分別和 所述的單片機(jī)單元（6)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量裝置，其特征在于所述的第一信號(hào)調(diào)理單元（11)包括比 較器U6和或非門U7,所述的第二信號(hào)調(diào)理單元（12)包括比較器U8和或非門U9,比較器U6 及比較器U8均采用TLV3502比較器，或非門U7及或非門U8均采用SN74LVC1G02或非門； 所述的多路模擬開關(guān)芯片U4的A腳經(jīng)電容Cl和比較器U6的2腳及3腳相連，比較器U6 的1腳接3V電壓，比較器U6的4腳接IV電壓，比較器U6的8腳接電壓VCC，比較器U6的 5腳接地，比較器U6的6腳及7腳分別和或非門U7的2腳及1腳相連，或非門U7的3腳接 地，或非門U7的5腳接3V電壓，或非門U7的4腳和所述的時(shí)間測量芯片U2的stopl腳相 連；所述的多路模擬開關(guān)芯片U5的A腳經(jīng)電容C2和比較器U8的2腳及3腳相連，比較器 U8的1腳接3V電壓，比較器U8的4腳接IV電壓，比較器U8的8腳接電壓VCC，比較器U8 的5腳接地，比較器U8的6腳及7腳分別和或非門U9的2腳及1腳相連，或非門U9的3 腳接地，或非門U9的5腳接3V電壓，或非門U9的4腳和所述的時(shí)間測量芯片U2的stop2 腳相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的測量裝置，其特征在于所述的單片機(jī)單元（6)包括單片 機(jī)U1，單片機(jī)Ul采用MSP430F4351單片機(jī)，單片機(jī)Ul的P2. 2腳、P2. 3腳及P2. 4腳分別和 多路模擬開關(guān)芯片U4的S2腳、Sl腳及SO腳相連，單片機(jī)Ul的P2. 5腳、P2. 6腳及P2. 7腳 分別和多路模擬開關(guān)芯片U5的S2腳、Sl腳及SO腳相連，單片機(jī)Ul的PL 4腳、PL 5腳、 PL 6腳及PL 7腳分別和所述的時(shí)間測量芯片U2的SSN腳、SCK腳、SI腳及SO腳相連，單 片機(jī)Ul的P2. 0腳及P2. 1腳分別和時(shí)間測量芯片U2的FIRE-IN腳及INT腳相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的測量裝置，其特征在于所述的時(shí)間測量單元（7)上連接 有起振電路，起振電路包括電阻R3、晶振Y和電容C3、電容C4,電阻R3連接在時(shí)間測量芯 片U2的xin腳和xout腳之間，電容C3和電容C4的串聯(lián)電路及晶振Y均和電阻R3并聯(lián)， 電容C3和電容C4的并接點(diǎn)接地。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4或5所述的測量裝置，其特征在于所述的第一換能器（1)、 第二換能器（2)、第三換能器（3)及第四換能器（4)分別位于所述的管道（5)的左側(cè)、右側(cè)、
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK104316119SQ201410360996
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】章圣意, 談紅偉, 黃象克, 趙偉國, 陳祖壽 申請(qǐng)人:浙江蒼南儀表廠