基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计摘要法。在测量方法方面有的利用改进的算法，来提高系统的测量精度，使得超声波流量计得到更广泛的应用。我国对超声波流量计的研究起步较晚，发展时间并不长。早期使用的都需要从国外购买。后来通过科研人员的努力，引进国外先进技术，使得超声波流量计发展起来。国内生产超声波流量计厂家主要有唐山汇中仪表有限公司唐山大方电子技术有限公司上海自动化仪表有限公司大连长风电子有限公司大连索尼卡电子有限公司北京衡安特测控技术有限公司等。但是我们的产品和国际水平还是存在较大的差距，我们大多采用简单的算法和以单片机为系统核心进行信号处理，使得在信号处理速度和精度上受到限制。便携式超声波流量计固定式超声波流量计厂商美国康了创厂商大连索尼卡电子有限公司手持式超声波流量计盘装式超声波流量计厂商上海横特自动化仪表有限公司厂商大连大禹仪器仪表有限公司图.超声波流量计产品图目前国内外较多的采用多普勒法和时差法来实现超声波流量测量技术。但在应用对象上有定区别，其中多普勒法主要用于含有较多的悬浮颗粒和气泡的场合，时差法主要用于测量均匀纯净的流体。有些场合也采用两种混合的方法。近年来由于大规模集成电路技术的发展，数字处理技术越来越成熟，芯片的功能日益完善与强大，以其精度高处理速度快性价比高等优势，被越来越多的领域所使用，为超声波流量计的发展提供了有利条件，以及高精度测时芯片的出现，为时差法超声波流量计的计时精度提供了保证。以软硬件资源丰富的为处理核心的超声波流量计来广泛取代国内的以单片机为核心的超声波流量计，并结合些数字信号处理技术来对信号进行处理分析等，来改善超声波流量计的测量精度，使我国的超声波流量测试技术能与国外技术相抗衡，带动科学技术的发展，更好的为国民经济作出贡献。图.给出了几种超声波流量计产品的照片，美国康乐创的便携式超声波流量计，采用外火式安装换能器，内置时差式和多普勒式两种测量技术，既可以测量脱离子水也可以测量高含气或固体颗粒的液体，可测量的管径范围从到,精度为.,。大连索尼卡的是管外测量时差式超声波流量计，测量管径从到，精度为士.。上海横特自动化仪表的手持式超声波流量计，采用时间差超声测量原理，适用管径范围为到,精度优于。大连大禹仪器仪表的盘装式超声波流量计，口径也是到，是国内最先到达精度为的超声波流量计。.管道流量测量的理论基础流量的基本概念流量是指单位时间内流过截面的流体量，又称为瞬时流量。流量又分为质量流量和体积流量，质量流量是指单位时间内流过流体的质量，体积流量是指单位时间内流过流体的体积。质量流量般用表示，体积流量般用表示。用数学表达式可以表示为式中体积流量，质量流量，流体体积，流体质量，时间，流体密度，管内面平均流速，管道截面积，。如果流体流动是不随时间显著变化的，称之为常流，式.和式.中的时间可以取任意单位时间。如果流动是非定时常流，即流量随时间不断变化，则式.和式.中的时间应足够短，以致可以认为在该段时间内流动是稳定的。所以流量的概念是瞬时的概念，流量是瞬时流量的简称。在段时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体总量称为“累积流量”，也常被称为“总量”。在数值上它等于流量对时间的积分，例如时刻到时刻的累积体积流量和累积质量流量的计算公式为管道内流体理论.管道内流体的流动状态由于实际流体具有粘性，当实际流体在管道中流动时，般有两种流动状态，种是层流流动，种紊流流动。这是两种性质截然不同的流动状态，流速的计算方法也不相同。层流状态是指管内流体只有轴向的运动，而无垂直于流体流动方向的横向运动。层流流动时，管内流体分层流动，各个流层之间互不混杂，平行于管道轴线方向流动，流层间没有流体质点的相互交换。流体通过段管道的压力降与流量成正比。紊流状态是指流体质点既有轴向的运动，也有横向的运动。紊流流动时，管内流体不再分层流动，流体中质点除了沿管道轴线向外流动外，还有剧烈的径向运动，流体通过段管道的压力降与流量的平方成正比。区分管内流动是层流流动还是紊流流动的判断依据是个无量纲数，称为雷诺数，用。表示管道内流体的流速计算方法在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布。这是由于实际流体都具有粘性而造成的。般规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁的粘滞作用，流速越小，管壁上的流速为零越靠近管中心，由于流体与管壁的这种粘滞作用越小，流速就越大，管道中心的流速值达到最大。管道内的流动状态不同，所呈现的流速分布也不同。人们在长期的生产实践中对管内的流体流速分布做了不少的研究，提出了很多流速分布模型。下面只介绍种比较简单的流速分布模型。即层流流动时.紊流流动时.式中管道中心的径向距离，距管道中心处的流速，管道中心的最大流速，管道半径，随雷诺数变化而变化的指数，无量纲数。通过检测流体速度来求得流量的速度式流量计，般都是检测管道内流体的平均流速来求得流量的。在流量测量中，平均流速是个很重要的参数，如计算雷诺数和流量等数据时，只要用到流速的地方，几乎都是用平均流速来计算的。所谓平均流速，就是指管道截面上的平均流速。当管内流体以流速均匀分布时，通过管道截面的流量正好等于管内流体以速度分布时通过该管道截面的流量，则就是该截面上速度分布为时的平均流速。其数学表达式为.对于圆管，将代入上式，得到层流状态下的平均流速为.紊流状态下平均流速为.对于超声流量计，由于声波并非经过整个管道截面，而往往是经过管道的中心轴方向，所以它测量的流速是管道中心轴方向的平均流速，般记为.其数学表达式为.对于圆管，将代入式.，得层流状态圆管内中心轴向上的平均流速为.截面平均流速为.紊流状态下，圆管内中心轴向上的平均流速为.则截面平均流速为.流速补偿系数对流速公式的修正测量流体通过截面的流量时，需要测量垂直截面的面平均流速，而从穿过流体的超声波信号中检测出的流体流速是沿超声波传播路径上的线平均流速，它们的关系应从流体力学中加以修正。线平均流速与面平均流速的差异，取决于流速的分布情况。当管道线平均流速值为时，它与截面平均流速，之比称为流速补偿系数。由流体力学可知，流速补偿系数取决于管道的雷诺数，而又取决于流体的流速管径和流体的粘度等因素。其值可查找相关图表得到，也可通过计算得到，当流体在圆形管道内流动时，可以写成.式中管内流体的线平均流速，管道内径，管内流体的流动粘度，的大小决定了流体的流动状态，与的关系根据流体的流动状态不同而不同，可用如下公式计算当流体呈层流状态时.当流体呈紊流状态时.当流体流动状态介于层流状态与紊流状态之间时.以上的计算公式都是基于这样种假设前提即换能器的安装起点前后有足够的直管段。事实上，由于流速分布规律的复杂性，特别是对紊流状态下的流速分布规律，还没有十分准确的认识，因此如何得到比较精确的值是制约超声流量计进步提高测量精度的关键问题之。但是到目前为止，由于管道流体流速分布规律的复杂性，人们对流体流速分布规律和流速分布的研究仅限于理想管道流，即光管层流条件下的流体流速分布规律和光管紊流条件下的流体流速的分布规律。.超声波流量测量的原理超声波流量计按其测量原理其常用的测量方法有传播速度差法多普勒法相关法波束偏移法噪声法旋涡法流速液面法等，各种方法在流量测量测量中具有自的特点，可以根据被测流体精度要求等来选择哪种类型的超声波流量计。最常用的是时差法传播速度差法和多普勒法。时差法传播速度差法是根据超声波信号在流体介质中，受介质流速的影响，导致顺流传播和逆流传播速度不同，从而来计算流速，进而求得流量的。按所测物理量的不同可以分为时差法频差法和相位差法。就超声波探头的配置方法不同，传播速度差法又分为法透过法法反射法法交叉法等，如图.所示。法透过法法反射法法交叉法图.传播速度差法的基本配置法当流体平行于管道中心轴方向流动时，采用直接透过法法测量，能够得到较好的精度。当流动的方向与管道中心轴不平行或存在着沿半径方向流动的速度成分时，采用发射法法，可以避免由速度分量产生的误差。当换能器安装间隔受到限制时，可用法的变形方法交叉法法。图.传播速度差法原理图时差法是利用超声波在流体中传播的时间频率差来测量的。如图.中，超声波在静止流体中的速度为，流体的速度为，管内径为，发射角为。顺流方向发射超声波脉冲的传播时间为.逆流方向发射超声波脉冲的传播时间为.传播时间差为.由于超声波传播速度远远大于流体速度，故可以认为，得.由此可得.而时间差可以用控制电路来进行控制。多普勒法多普勒超声波流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的。多普勒效应可表述为当发射器和接收器之间有相对运动的时候，接收器所接收到的声频率就会发生改变，这个相对于声源频率的变化就是多普勒频移，其大小是正比于发射器与接收器之间的相对速度。发射角为，则多普勒频移为.所以可通过测量得到流速.这种方法测量的超声波流量计不但具有般超声波流量计的优点，如可安装在管外,无流动压损等，而且在测量时响应灵敏分辨率高，不易受流体的状态参数等的影响，但它的测量精度会受固体颗粒大小浓度的影响，所以主要应用于精度要求不高颗粒及杂质比较多的不均匀流体流量测量，利用多普勒频移来获得流量，在比较洁净的流体中就难以发挥作用。相关法相关法是建立在信息论和随机理论的基础上，相关法流量计是流动标记法的种，它的原理是大多数流体在管道内以相关方式运动的湍流模式存在的，流动介质中可以观测到的种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间，来求取流速及流量。如果在固定点上安装两对探头，接收探头接收到的信号在时域上是接收探头接收到信号的个简单延迟，其延时就是示踪标记的渡越时间，设两探头间的距离为，得到.的求取是通过互相关法得到的。两组信号的互相关函数可以表示为