超声波工业水表的设计精要.doc

1绪论 超声波流量检测技术是近年来迅速发展起来的新技术，它利用超声波在流体中传播所载的流体流速信息来测量流体流量。与传统的涡街、电磁等流量计相比，超声波流量计具有非接触、无压损、精度高、造价低、结构简单、测量范围宽等特点。尤其是超声波流量计体积小、造价与口径无关，它解决了工业测量中大口径测量设备制造、运输困难和造价高的突出问题，使它特别适合临时管道、大口径管道的流量测量，在工业供水系统中得到了广泛应用。 流量计的发展概况 几千年前，人们为适应农业灌溉和水利建设的需要，已开始关注流量测量问题，古埃及出现了堰的雏形，我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻“水则”，来观察水位，以进行控制。 18世纪以来，人们对流量测量的研究水平不断提高，各种流量测量理论和测量装置层出不穷。1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为基础，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年发表了研究结果;1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。自1910年起，美国开始研制测量明渠中水流量的槽式流量计。1922年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。1911一1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论。1945年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。由于经济生产落后，直到二十世纪50年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。二十世纪60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。近30年来，后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。目前国外投入使用的流量计有100多种，随工业生产的自动化、管道化的发展，流量计在整个仪表生产中所占比重越来越大。 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，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，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产，时至今日，我国已成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业。但是我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计的技术水平与国际先进水平有较大的差距。随着国内市场的国际化，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量计的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表行业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要的意义。 1.2 超声波流量计的发展概况 超声波流量计(Ultrasonicflo~cter)是一种向流体发射超声信号，在其受到流体流动影响之后再接收此超声信号并将检测结果用于流量测量的计量器具。 1928年德国人研制成功了第一台超声波流量计，但此流量计仅限于研究阶段;直到1955年，一种基于声循环法的MAxsoN超声波流量计开始用于测量航空燃油l3]，超声波流量计从研究阶段进入应用阶段。前苏联在这方面的研究是独立进行的，其第一台超声波流量计出现在1956年。1958年A.L.H一ERDRIcH等人发明折射式探头，进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，为管外夹装提供理论依据。20世纪70年代，由于集成电路技术的发展，超声波流量计克服了精确度低、响应慢、稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。80年代超声波流量计出现了射束位移法，多普勒法，相关法及噪声法等。90年代以后，随着单片机、DSP、FPG、CPLD等技术的发展，超声波流量计向高性能和智能化方向快速发展，超声波流量计开始进入工业测量领域。 近10年来，由于数字信号处理、超声换能器材料、声道配置以及流体动力学等学科研究水平的提高，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。目前超 声波流量计正在向高精度、多功能、智能化、低功耗、低成本方向发展。 国外的超声波流量计研究机构和生产厂家多在美国、欧洲和日本，他们的产品精度高、可靠性好，但价格昂贵。目前，国外超声波流量计生产厂商主要包括美国的Daniel、Controlotron，德国的Elster、Kemel，荷兰的xnst~ent，日本的Toshiba、Fuji等公司。 我国的超声波流量计研究工作起步较晚，通过广大科技工作者的不懈努力和引进外国先进技术，国产的超声波流量计也开始批量生产并投入使用。目前，国内从事超声波流量计的研究与制造的厂商主要有唐山的汇中、美伦、惠斯特，大连索尼卡