2 时差法测液压流量原理
时差法的测量原理为:超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关,据此可测量流量。在流速v的流动媒质的上、下游分别放置超声波换能器1和换能器2,结构如图1所示。
换能器l和换能器2间距为L,管道直径为D,L与v之间的夹角为θ。当换能器2接收换能器1发送的超声脉冲时,超声沿L的传播速度为(c-v),其中c是静止媒质中的超声波速度。超声波逆流由换能器l传输到换能器2的时间为:
将换能器的接发功能调换,换能器2发送超声脉冲,换能器l接收超声波顺流由换能器2传输到换能器1的时间:
于是,逆流和顺流的时间差为:
因为超声波在液体里的传播速度为1500m/s,而流体速度在不是很高的情况下,可认为:则式(3)化简为:
这样,液体平均流速v就可由声时差△t确定,即在c和x恒定的前提下,v与△t成线性。再根据流量方程求出流量Q:
式中k为流速分布修正系数。
3 硬件系统设计
该检测系统的硬件系统设计主要由超声波换能器、CPLD功能、驱动发射、接收放大和过零比较等模块组成。系统工作时,单片机先向CPLD发送指令,CPLD的内部PULSE功能模块产生600 ns的驱动脉冲,同时CNT功能模块开始计时:驱动脉冲进入驱动发射电路使超声波换能器1产生超声波信号;超声波通过介质被超声波换能器2接收,接收到的信号比较微弱,需通过由LF357和LM318组成的三级接收放大电路对其放大;将放大信号再通过由MAX903组成过零比较电路,从而为CLPD中的CNT功能模块提供一个停止计时的高电平信号。将CNT中所计时的数据换算为时间,再由换能器2发送,换能器1接收。同理用CNT记录另外一组时间数据,二者相减得到顺流和逆流的声时差△t,从而计算出系统的流速和流量。该检测系统的关键是要得到准确的驱动脉冲和精确的顺逆流时间。所以,选用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N,并配有100 MHz的晶体振荡器,CPLD功能模块是该系统硬件设计的核心。