項(xiàng)亞南

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所，江蘇 無錫　214153)

便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

項(xiàng)亞南

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所，江蘇 無錫214153)

摘要：工業(yè)過程需要檢測(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)量。便攜式現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)可以與上位機(jī)通過RS-232通信接口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備流速記錄的保存和數(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)量。

關(guān)鍵詞：流體流速流量計(jì)超聲波便攜式自動(dòng)檢測(cè)上位機(jī)串口通信RS232

0引言

在工業(yè)過程中，管道中流體介質(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)[1]。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[2-3]。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[4-5]。為了克服上述問題，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)量內(nèi)徑為DN15～DN6000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

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，A點(diǎn)和B點(diǎn)為超聲波與管道內(nèi)截面的交點(diǎn)，L為A點(diǎn)到B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，D為管道的內(nèi)徑，M為管道壁的厚度，α為超聲波的入射角，β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)t1,A表示超聲波從傳感器1到A點(diǎn)在管壁中傳輸?shù)臅r(shí)間，tA,B表示超聲波順流從A點(diǎn)到B點(diǎn)的傳輸時(shí)間，t2,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，tB,A表示超聲波逆流從B點(diǎn)到A點(diǎn)的傳輸時(shí)間。tA,1，tB,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，于是有：t1,A=tA,1=t2,B=tB,2。

順流方向，超聲波從傳感器1到A點(diǎn)在管壁中的傳播時(shí)間為：

(1)

超聲波從A點(diǎn)到B點(diǎn)的傳播時(shí)間為：

(2)

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：

t1,2=t1,A+tA,B+tB,2

(3)

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：

(4)

B點(diǎn)到A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：

t2,1=t2,B+tB,A+tA,1

(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；C0為超聲波在管壁中的傳播速度；α由傳感器設(shè)計(jì)時(shí)確定，取45°。

L2=N2+D2

(7)

(8)

由上述各式，推導(dǎo)得到流速V的表達(dá)式為：

(9)

式(9)與C無關(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D、管道壁的厚度M、管道的材質(zhì)(決定C0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)(N、M、D)和管道(通過選擇不同的材質(zhì)，例如常見的鑄鐵、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t1,2和逆流方向傳播時(shí)間t2,1后，可由式(9)計(jì)算得到流速。

幾種常見的超聲波在不同管道材質(zhì)中的傳播速度如表1所示。

表1　幾種常見超聲波管道材質(zhì)傳播速度

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[6]。

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。

圖2　裝置總體硬件電路設(shè)計(jì)

圖3為TDC-GP2外圍電路連接圖。

圖3　TDC-GP2外圍電路連接圖

TDC-GP2芯片[7]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4 MHz的高速晶振用于時(shí)間測(cè)量和時(shí)鐘校準(zhǔn)，32 kHz的晶振用于芯片的內(nèi)部定時(shí)。Fire1和Fire2能夠觸發(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)量超聲波計(jì)時(shí)開始的信號(hào)，Stop引腳用于接收測(cè)量停止的信號(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4　MAX232芯片串口通信接線圖

3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

一種基于超聲波的便攜式管道流體流速自動(dòng)檢測(cè)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。

①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。

②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)(C0的大小)，超聲波在常見不同材質(zhì)中的流速見表1。

③TDC-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。

④在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定一個(gè)采樣次數(shù)常數(shù)N，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。

⑤LCD液晶顯示模塊顯示實(shí)時(shí)的流速值。

⑥當(dāng)便攜式主機(jī)與上位機(jī)通過串口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

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)

[1] 涂亞慶,蘇奮華,沈廷鰲,等.自適應(yīng)陷波器的科氏流量計(jì)信號(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.

[2] 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.

[3] 何成.長距離礦漿管道輸送過程檢測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].長沙：湖南大學(xué),2014.

[4] 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.

[5] 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),2012,33(10):2371-2379.

[6] 唐文,劉芳伶.MSP430 系列單片機(jī)軟件在線升級(jí)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2012,45(1):144-146.

[7] Yao B B,Zhang H J,Tang X Y,et al.Method of ultrasonic flow rate measure based on Delta-T and TDC-GP2[J].Zidonghuayu Yibiao/Automation & Instrumentation,2011,26(8):17-20.

Design of Portable Auto-detection Device for Fluid Velocity in Pipeline

Abstract：In industrial processes,it is necessary to detect the fluid velocity in different pipeline.In view of the insignificancy of traditional electromagnetic flowmeters,i.e.,the fixed measuring bore and installation inconvenience,the detection principle of a kind of ultrasonic fluid velocity sensor for pipeline is put forward; and the portable automatic detection device for pipeline fluid velocity is designed to realize the flexible measurement of pipeline medium velocity.This portable host unit on-site can be connected to the upper machine via RS232 communication interface,in which the velocity data from multiple detection devices can be recorded,stored and analyzed.The device is especially suitable for some unfavorable direct contact measurement of fluid flow velocity measurement.

Keywords:Fluid velocityFlowmeterUltrasonicPortableAutomatic detectionUpper machineSerial port communicationRS232

中圖分類號(hào)：TH81;TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605024

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：BY2013016)。

修改稿收到日期：2015-07-17。

作者項(xiàng)亞南(1989-)，男，2015年畢業(yè)于江南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位；主要從事檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置方向的研究。