便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì).docx

1、便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)DesignofPortableAuto-detectionDeviceforFluidVelocityinPipeline（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研完所，江蘇無(wú)錫214153）摘要：工業(yè)過(guò)程需要檢測(cè)不同管路中流體流速的大小。針對(duì)傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)存在測(cè)量口徑固定、安裝不便的問(wèn)題，提出一種基于超聲波管道流體流速傳感器檢測(cè)原理的便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道介質(zhì)流速的柔性測(cè)髭。便攜式現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)可以與上位機(jī)通過(guò)RS-232通信接口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備流速遷錄的保存和數(shù)據(jù)的分析，尤其適用于一些不宜直接接觸測(cè)量的流體介質(zhì)的流速測(cè)置C關(guān)I詞：流體流速流

2、髭計(jì)超聲波便攜式自動(dòng)檢測(cè)上位機(jī)串口通信RS232中圖分類號(hào)：TH81；TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16086/ki.issnlOOO-0380.201605024Abstract：Inindustrialprocesses,itisnecessarytodetectthefluidvelocityindifferentpipeline.Inviewoftheinsignificancyoftraditionalelectromagneticflowmeters,i.e.,thefixedmeasuringboreandinstallationinconvenience,thedete

3、ctionprincipleofakindofultrasonicfluidvelocitysensorforpipelineisputforward;andtheportableautomaticdetectiondeviceforpipelinefluidvelocityisdesignedtorealizetheflexiblemeasurementofpipelinemediumvelocity.Ulisportablehostuniton-sitecanbeconnectedIotheuppermachineviaRS232communicationinterface,inwhich

4、thevelocitydatafrommultipledetectiondevicescanberecorded,storedandanalyzed.Thedeviceisespeciallysuitableforsomeunfavorabledirectcontactmeasurementoffluidflowvelocitymeasurement.Keywords:FluidvelocityFlowmeterUltrasonicPortableAutomaticdetectionUppermachineSerialportcommunicationRS2320引言在工業(yè)過(guò)程中，管道中流體介

5、質(zhì)的流速測(cè)量和調(diào)節(jié)是一個(gè)很重要的控制參數(shù)指標(biāo)。采用傳統(tǒng)流量計(jì)測(cè)量流體流速時(shí)，不同內(nèi)徑的管道必須對(duì)應(yīng)不同公稱直徑的流量計(jì)，安裝不便，并且增加了企業(yè)運(yùn)行成本"F。特別是在一些特殊的如介質(zhì)有腐蝕性、不宜直接接觸等場(chǎng)合,采用傳統(tǒng)流量計(jì)測(cè)量流速更不方便"5。為了克服上述問(wèn)題，基于超聲波原理，本文提出一種即裝即用的便攜式管道流體流速檢測(cè)裝置,在不切開(kāi)管道的情況下，實(shí)現(xiàn)非接觸式柔性測(cè)量。紐扣式的測(cè)量傳感器便于安裝拆卸，在現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)顯示屏或上位機(jī)上都可以設(shè)置管道的內(nèi)徑大小、管壁厚度、管道材質(zhì)參數(shù),可測(cè)量?jī)?nèi)徑為DN15DN6000的管道內(nèi)流體流速。1超聲波流速傳感器的設(shè)計(jì)原理超聲波管道流體流速

6、傳感器由兩個(gè)可以接收和發(fā)生超聲波的傳感器組成。超聲波在流體介質(zhì)中傳播時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，順流方向的聲波傳播速度會(huì)增江芥牙產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新表金麥助項(xiàng)日（爆號(hào)：BY2013016）。修改秘收到日期：20】5-07-17。作者項(xiàng)亞南（1989-）,男，2015年畢業(yè)于江南大學(xué)控制科孕與工程專Jk,荻頊?zhǔn)繉W(xué)位；主要從亨檢澈技術(shù)及自動(dòng)化裝置方向的研免。大,逆流方向聲波的傳播速度會(huì)減小。超聲波管道流體流速檢測(cè)原理如圖1所示。圖1流體流速檢測(cè)原理圖Fig.1Theprincipleoffluidvelocitydetection圖1中，編號(hào)1和2為超聲波傳感器和超聲波傳感器，編號(hào)3和4為待測(cè)管道的上下截面,4

7、點(diǎn)和B點(diǎn)為超聲波與管道內(nèi)截面的交點(diǎn)工為4點(diǎn)到8點(diǎn)的距離,N表示兩個(gè)傳感器從A點(diǎn)到B點(diǎn)的軸向距離為管道的內(nèi)徑,M為管道壁的厚度q為超聲波的入射角,胃為管道軸向與超聲波聲道之間的夾角,V為流體的流速。為了保證流速檢測(cè)的精度，檢測(cè)方法還考慮管道壁厚（M）。設(shè)£偵表示超聲波從傳感器1到4點(diǎn)在管壁中傳輸?shù)臅r(shí)間，口表示超聲波順流從4點(diǎn)到B點(diǎn)的傳輸時(shí)間，偵b表示超聲波從傳感器2到B點(diǎn)在管壁中傳輸?shù)臅r(shí)間，板a表示超聲波逆流從8點(diǎn)到彳點(diǎn)的傳輸管道材質(zhì)傳播速度C0/(m.8-')鑄鐵4572不鐫鋼5664銅管4394PVC2388玻璃5664衰1幾種常見(jiàn)超聲波管道材質(zhì)傳播速度Tab.1Thetr

8、ansferspeedofseveralcommonultrasonicpipematerials時(shí)間。如，上.2的定義原則相同。因?yàn)樵诠艿辣谥谐暡ǖ膫鞑ニ俣仁潜３植蛔兊?，且管壁厚度相同，于是?M=知=Sf2。順流方向，超聲波從傳感器1到彳點(diǎn)在管壁中的傳播時(shí)間為：(1)_M勺，Cosina超聲波從4點(diǎn)到8點(diǎn)的傳播時(shí)間為:(5)因此，逆流方向傳播時(shí)間，即傳感器2到傳感器1的傳播時(shí)間為:圖2裝置總體硬件電路設(shè)計(jì)Fig.2TheoveraDhardwarecircuitdesignofdevice山=C+Vco曜因此,順流方向傳播時(shí)間即傳感器1到傳感器2的傳播時(shí)間為：匕,2=h.A+lB.2(3

9、)同樣地，逆流方向，超聲波從傳感器2到B點(diǎn)在管壁中的傳播時(shí)間為：_MSCosinaB點(diǎn)到4點(diǎn)的傳播時(shí)間為：_L=C-Vcosfi虹1=，2,8+B.A+(6)以上公式中:C為超聲波在靜止的流體介質(zhì)中的傳播速度;C。為超聲波在管壁中的傳播速度；a由傳感器設(shè)計(jì)時(shí)確定，取45。e=N2+D2(7)/vco陽(yáng)=了(8)2便攜式檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)基于超聲波的便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)裝置主要由便攜式現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)單元、紐扣式的超聲波收發(fā)裝置、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、超聲波專用電纜線和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控單元構(gòu)成。便攜式超聲波管道流速檢測(cè)裝置可以單獨(dú)使用,當(dāng)便攜式檢測(cè)設(shè)備通過(guò)串口通信模塊與上位機(jī)相連接時(shí),可以與上位機(jī)通信

10、進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。便攜式管道流體流速檢測(cè)裝置的總體硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。由上述各式,推導(dǎo)得到流速V的表達(dá)式為:+萬(wàn)*2r.22N2M2M1,2Cosina/2,1Cosina/(9)式(9)與C無(wú)關(guān)，只與超聲波傳感器的安裝位置(決定N的大小)、管道的內(nèi)徑0、管道壁的厚度M、管道的材質(zhì)(決定C。的大小)有關(guān)。所以只需要在使用之前固定好傳感器的位置、設(shè)置好相應(yīng)的管道參數(shù)蹤沖驅(qū)動(dòng)1一"5昧沖動(dòng)2_-XL(N、M、D)和管道(通過(guò)選擇不同的材質(zhì)，例如常見(jiàn)的鑄鐵、不銹鋼、銅管、PVC、玻璃等)，便攜式主機(jī)單元可自動(dòng)查出超聲波在其中的傳播速度。便攜式現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)單元在計(jì)量超聲波順流方向傳播時(shí)間妃2和逆

11、流方向傳播時(shí)間弓后,可由式(9)計(jì)算得到流速。7圖3TDC-GP2外國(guó)電路連接圖Fig.3TheperipheralcircuitconnectionofTDC-GP2備S-NM直S05dssWUJS-ZWFire：INTNi§OS幾種常見(jiàn)的超聲波在不同管道材質(zhì)中的傳播速度如表1所示。圖3為TDC-GP2外圍電路連接圖。TDC-GP2芯片具有皮秒級(jí)別的高精度時(shí)間測(cè)量能力,TDC-GP2外接兩個(gè)晶振，其中4MHz的高速晶振用于時(shí)間測(cè)量和時(shí)鐘校準(zhǔn),32kHz的晶振用于芯片的內(nèi)部定時(shí)。Fi鳴和Fire2能墻觸發(fā)兩組高速脈沖激勵(lì)信號(hào)，用于激勵(lì)上下兩組超聲波收發(fā)裝置。Start引腳用于測(cè)量超聲

12、波計(jì)時(shí)開(kāi)始的信號(hào),Stop引腳用于接收測(cè)雖停止的信號(hào)。兩個(gè)超聲波收發(fā)單元各自發(fā)射和接收超聲波，通過(guò)專用的超聲波專用電纜線,將信號(hào)傳輸?shù)奖銛y式現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)單元中。該收發(fā)裝置固定在管道上,用于實(shí)現(xiàn)管道流體流速的非接觸式測(cè)量。系統(tǒng)采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)串口通信的功能，其接線如圖4所示。圖4MAX232芯片串口通信接線圖Fig.4WiringdiagramofserialcommunicationofMAX232chip3流速檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖5所示。圖5系統(tǒng)檢測(cè)流程圖Fig.5Theflowchartofsystemdetection一種基于超聲波的便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)

13、裝置的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，主要包括初始化程序，流速數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、通信處理，流速數(shù)據(jù)的保存和管理4大部分。 掃描初始化程序,包括從EEPROM中讀取運(yùn)行參數(shù),A/D端口的初始化，串口通信方式的配置。 采集待檢流速的管道參數(shù):傳感器的安裝位置(N的大小)、管道的內(nèi)徑D、管壁厚度M、管道的材質(zhì)(60的大小)，超聲波在常見(jiàn)不同材質(zhì)中的流速見(jiàn)表1。 TDC-GP2測(cè)量得到超聲波順流方向傳播時(shí)間和逆流方向傳播時(shí)間。 在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定一個(gè)采樣次數(shù)常數(shù)M用于確定順流和逆流的采樣時(shí)間個(gè)數(shù)，均值濾波，求N次采樣時(shí)間的均值。由式(9)計(jì)算得到流速。 LCD液晶顯示模塊顯示實(shí)時(shí)的流速值。 當(dāng)便攜式主機(jī)與上

14、位機(jī)通過(guò)串口RS-232相連時(shí),上位機(jī)不僅可以向主機(jī)發(fā)出控制命令,設(shè)置管道的參數(shù),而且還可以記錄并保存流速數(shù)據(jù)。上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、流速曲線顯示和報(bào)警記錄4個(gè)功能，并且可以對(duì)多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備同時(shí)在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程中的流速數(shù)據(jù)集中分析處理，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源。4結(jié)束語(yǔ)本文提出一種超聲波管道流體流速傳感器的檢測(cè)原理,并設(shè)計(jì)出一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管徑大小的管道流體流速的便攜式檢測(cè)裝置。該流體流速檢測(cè)裝置柔性安裝，易于攜帶。現(xiàn)場(chǎng)的主機(jī)單元能夠自動(dòng)檢測(cè)并顯示當(dāng)前流速大小。當(dāng)便攜式檢測(cè)設(shè)備與上位機(jī)相連時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)設(shè)備檢測(cè)的流速數(shù)據(jù)的記錄保存和分析。便攜式管道流體流速檢測(cè)方法適用于一些不宜直

15、接接觸的流體介質(zhì),實(shí)現(xiàn)非接觸式的管道流體流速的自動(dòng)檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)涂亞慶，蘇奮華,沈廷瞥，等.自適應(yīng)陷波器的科氏流M計(jì)值號(hào)頻率跟蹤方法J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,34(10)：147-152.1 王菊芬，孟浩龍，岳彬，等.新型渦輪流量計(jì)的理論模型J.力學(xué)與實(shí)踐,2014,36(1):64-68.2 何成.長(zhǎng)距離礦漿管道輸送過(guò)程檢測(cè)與控制關(guān)裸技術(shù)的研究D.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué).2014.3 蔡富東.用于非接觸式表面測(cè)速的江河流量回歸計(jì)算模型J.信息技術(shù)與信息化,2014(1):90-93.4 李小亭，王小杰,方立德.等.新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)特性研究J.儀器儀表學(xué)報(bào),2012,3