1、第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-10-28基金项目:2021 年贵州省教育厅教学内容和课程体系改革项目(2019012);贵州大学实验室开放项目(SYSKF2022-012);大学生创新创业训练计划项目(S202110657045);贵州大学“教学质量提升”重点项目(GDJXZLTS2019001)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0081-04“v 型”时差法超声波流量计李祺龙1，孙豪2，莫仁杰3，白光富3*(1贵州大学 大数据学院，贵州
2、 贵阳550025;2贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳550025;3贵州大学 物理学院，贵州 贵阳550025)摘要:超声波流量计不需要破坏管道的内部结构便可知道管道内部的液体流速，与其他流量计相比更优越。文章采用超声波“v 型”时差法来测量管道内部液体的状况，利用多次脉冲法提高了测量精度，采用 52 单片机对流速和方向进行实时处理，测量结果能够实时显示。本装置在非侵扰流体流速测量方面具有一定的实用价值。关键词:超声波;“v 型”时差法;多次脉冲法;52 单片机中图分类号:O 6575文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301017大学物理实验 投稿网址
3、:http:/dawushiyanjlicteducn面对大量工业用途的液体能源的输送以及液体废料管理，对其流量检测以便达到相应的目标或安全线是一个很重要的任务1-5。传统的机械式流量计存在着许多难以解决的困难，例如精度、流向等，特别是介入测量会对待测液体产生影响或者为系统的密封性造成影响。相较而言超声波流量计能够实现非侵入性测量，能够避免对待测液体带来潜在破坏5-8。文章在现有文献的基础上设计了一种高精度超声波流量计方案。该方案通过“v 型”时差法提高了测量精度，通过单片机的控制实现实时测量和现实的功能。该装置测量中是通过外部安装使用，减少了装置的磨损，提高了使用寿命。1装置原理与设计方案1
4、1时差法原理液体通过管道内部的流量可以用如下的表达式来计算:Q=液v液S管，(1)其中，Q 代表液体在该管道中的流量，液表示液体的密度，v液表示液体的平均流速，S管为管道横截面积。由于液体密度和管道横截面积都是可以精确测量而且是不变的，因此需要进行实时测量的只有液体的平均流速。声波在液体中的传播速度会随着液体的流动而产生不同的结果，时差法即是基于该原理，其计算原理如图 1 所示:图 1超声波流量计时差法原理在管道内部有液体流过，通过超声波换能器1 与超声波换能器 2 分别进行超声波信号的发射和接收，当由超声波换能器 1 发射超声波时，此时声波顺流传播，经过管道内壁反射传入到超声波换能器 2 中
5、;而当由超声波换能器 2 发射超声波时，此时逆流传播，经过管道内壁反射传入到超声波换能器 1 中。分别记顺流传播所需要的时间为T1，逆流传播的时间为 T2，记电路的响应延迟时间为 ，水的流速为 c液，则可以得到如下的时间传播表达式:T1=2dcosc液+v液sin+，(2)T2=2dcosc液v液sin+(3)由上面两式，顺流声波和逆流声波被接收的时差为t=t1T2=2dcosc液+v液sin+2dcosc液v液sin+=4dv液tanc液2v液2sin2(4)由上式可以求出平均流速为v液=c液24dtant，(5)即可知液体的流量为Q=液v液D24(6)所以只需要求解出相应的 t 就可以知道
6、相应的流量是多少8，9。而从上述的表达式(6)中可以看出，采取这种方法来对液体的流量进行计算是与温度无关的。12层流分析管道内部液体会存在多种流动形式，如层流、紊流等，通过雷诺系数表可知层流占据主导作用，故对层流做相应的分析，如图 2 所示:图 2层流分析图图 2 中，流束半径为 r，流束长度为 l，左截面压强为 P1，右截面压强为 P2，流束表面上的切应力为 。在定常流动中，作用在圆柱流束上的外力在 y 方向上的投影和为零，即，(P1P2)22rl=0(7)黏性流体的层流运动，应满足牛顿内摩擦定律:=dvdr，(8)代入式(7)，得，dvdr=(P1P2)r2l=P2lr(9)对式(9)积分
7、，得，v=P4l2+C(10)由圆管边界条件，管壁上的流速为 0，即当:v=0 时，r=，将其代入式(10)得，c=P4l2(11)所以可得出，v=P4l(22)(12)，式(12)为层流流速的分布表达式，由(12)式可以得到流速分布，如图 3 所示。图 3层流作用下的液体流速分布图根据一般的流量计算公式可知，Q=02rvdr=P8l4(13)则可计算出管道中的平均流速:v液=QS管=P8l2(14)而管道中心处的流速即为流速的最大值:vmax=P4l2(15)因此，v液=12vmax(16)式(16)即为在层流作用下液体平均流速的表达式。2硬件结构及其功能21多次脉冲法在时间差的计算当中，可
8、以大致得出时间精28大学物理实验2023 年度越小，所需要的时钟脉冲频率就得越高，甚至1 000 MHz的脉冲仅能实现 1 ns 的时间精度。所以为了提高精度并简化装置，在这里采用了多脉冲测量法，其原理如图 4 所示。图 4多脉冲测量法示意图这里所使用的超声波换能器均是收发一体式的。由激励信号首先驱动换能器 1 产生声波信号，经过反射在换能器2处接受，再通过放大器A1对信号进行放大，用此时的信号来代替原先的激励信号，即通过多次循环叠加，就可以得到一个较大频率的时钟脉冲信号;同理，由激励信号首先驱动换能器2产生声波信号，经过反射在换能器1处接受，再通过放大器 A2 对信号进行放大，用此时的信号来
9、代替原先的激励信号，通过多次循环叠加亦可得到较大频率的时钟信号。当通过N次循环后，N 次的 t1之和与 N 次的 t2之和为t顺流=ni=1i+Nt1(17)t逆流=ni=1i+Nt2(18)时间差的表达式可写成:t=t2 t1=T逆流 t顺流N(19)通过此方式可以将单次的顺流时间与逆流时间扩大叠加10，11，从而通过电子设备对其计算更高的精度，并方便了设备的搭建。22硬件系统及其功能硬件部分采用 MAX232 芯片，为电路提供合适的电源信号，同时实现 TTL/CMOS 数据与 S-232 数据之间的转换;通过 52 单片机对整体系统进行控制，并为了能够测量出相应的流向，在两端的超声波传感器
10、附加相应的初始值 0，当有水流流入时初始值即可变为 1，流出时保持为 0 不变，按照表 1 的逻辑关系可实现对不透明管道内部的液体流向的判定。表 1流向判定真值表左端右端显示10正向(Z)01反向(F)00不显示11不显示对每个时间间隔的数据代入流速表达式，再利用瞬时流量计算公式计算出相应的流量，最后在显示屏上显示即可。通过 3D 打印技术得到如下图所示管道装置，并将其与微型控制机相连，通过计算机控制其数据的显示。图 5实验装置示意图23装置规格参数本装置规格参数如表 2。表 2本装置规格参数“V 型”超声波流量计参数说明管口直径15 mm显示屏LCD1602中控芯片STC89C52晶振频率1
11、1059 2 MHz单键开关1 个显示最小精度001 cm3/s3实验结果与验证通水后系统显示如图 6 所示，实验测试过程中每 2 秒记录一个数据。图 6管道通水后显示38第 1 期李祺龙，等:“v 型”时差法超声波流量计为了检验实验装置的可靠性，对 50 个连续测量数据进行统计分析，并与商业化的流量计(中山市东凤镇覃工传感器科技有限公司，信号:SK-4040-HZ60)数值进行比对。由图 7 所示的数据图比对可知，实验测得平均流量值为 1452 8 cm3/s，而实际的流量平均值为 1452 2 cm3/s，计算器相对误差为 004%。故此可知两者相差极小，可认为两者基本吻合。对于不同流向的
12、展示如图 8 所示，结果表明系统能准确测量流量的大小方向。次序图 7实验数据对比结果(a)同向(b)反向图 8不同流向的显示4结语设计了一种高精度超声波流量计方案。该方案同时利用多脉冲法，借助多次叠加信号波，提高了测量精度，并节约了成本;采取“V 型”传递方式，可以提高系统的分辨率，在同一侧进行反射和传递能够有效避免因为断面不平整而造成的误差。通过单片机的控制实现实时测量和现实的功能。该装置测量中是通过外部安装使用，减少了装置的磨损，提高了使用寿命。本方案中是通过3D 打印制作的外壳，虽然能有效避免不平整而造成的空气所产生的误差，但也限制了管道的口径。后续可以将 3D 外壳转化成两个单独的外夹
13、，使其可以分别固定在通道外部，这样可以避免管道口径大小不同而造成的问题，解决了非透明管道内部流体不好测量的问题。还可以在此基础上对多普勒效应进行掺入，两者综合可以广泛应用于各种不同类型的流体。参考文献:1 陈静超 声 波 流 量 计 的 研 制 D 西 安 科 技大学，2004 2 关君基于时差法流量检测关键技术的研究D 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2017 3 张俊基于 DSP 的超声波流量计 D 南京:南京航空航天大学，2005 4 周永军，刘健齐，徐世峰，等一种流体流速实验教学仪器的改进与研制J 大学物理实验，2021，34(5):70-73 5杨亚，王让定，姚灵TDC-GP21 在时差法超
14、声波流量计中 的 应 用J 微 电 子 学 与 计 算 机，2013，30(3):118-121 6 姜文涛时差法超声波流量计的设计 D 大连:大连理工大学，2014 7 王清伟，邱俭军一种提高超声波流量计测量精度的补偿算法 J 声学与电子工程，2009(03):34-36 8 测量波导管线路衰耗的脉冲多次反射法 J 邮电研究，1977(2):25-29 9 陈艺斐，杨雨琪，汪子维，等基于电磁感应法测量流体的流速 J 大学物理实验，2021，34(5):1-3 10 姚滨滨，张宏建，唐晓宇，等基于时差法和 TDC-GP2 的超声波流量测量方法J 自动化与仪表，2011，26(8):17-20
15、11 温钊基于时差法的油流速超声测量方法研究 D 北京:华北电力大学，2021(下转第 148 页)48大学物理实验2023 年Promoting the High Quality and Efficiency Development of College PhysicsExperiment with Curriculum Ideological and Political EducationSUN Yan，YU Huamin，YU Dan(Basic Aviation College，Air Force Aviation University，Changchun 130022，China)A
16、bstract:In order to fully implement the party s educational policy in the new era，according to the basicrequirements of national higher education personnel training，the ideological and political work of CollegePhysics Experiment course has been carried out On the premise of understanding the basic spirit andrequirements of the documents of the Ministry of Education，we have formed a correct understanding ofideological and political work in the curriculum，defined the connotation requirements of id
