便携式管道流体流速自动检测装置的设计

项亚南

(江苏信息职业技术学院机电研究所，江苏 无锡　214153)

便携式管道流体流速自动检测装置的设计

项亚南

(江苏信息职业技术学院机电研究所，江苏 无锡214153)

摘要：工业过程需要检测不同管路中流体流速的大小。针对传统的电磁流量计存在测量口径固定、安装不便的问题，提出一种基于超声波管道流体流速传感器检测原理的便携式管道流体流速自动检测装置，实现了对管道介质流速的柔性测量。便携式现场主机可以与上位机通过RS-232通信接口相连，实现对多台检测设备流速记录的保存和数据的分析，尤其适用于一些不宜直接接触测量的流体介质的流速测量。

关键词：流体流速流量计超声波便携式自动检测上位机串口通信RS232

0引言

在工业过程中，管道中流体介质的流速测量和调节是一个很重要的控制参数指标[1]。采用传统流量计测量流体流速时，不同内径的管道必须对应不同公称直径的流量计，安装不便，并且增加了企业运行成本[2-3]。特别是在一些特殊的如介质有腐蚀性、不宜直接接触等场合，采用传统流量计测量流速更不方便[4-5]。为了克服上述问题，基于超声波原理，本文提出一种即装即用的便携式管道流体流速检测装置，在不切开管道的情况下，实现非接触式柔性测量。纽扣式的测量传感器便于安装拆卸，在现场主机显示屏或上位机上都可以设置管道的内径大小、管壁厚度、管道材质参数，可测量内径为DN15～DN6000的管道内流体流速。

1超声波流速传感器的设计原理

超声波管道流体流速传感器由两个可以接收和发生超声波的传感器组成。超声波在流体介质中传播时，根据多普勒效应，顺流方向的声波传播速度会增大，逆流方向声波的传播速度会减小。超声波管道流体流速检测原理如图1所示。

图1　流体流速检测原理图

图1中，编号1和2为超声波传感器和超声波传感器，编号3和4为待测管道的上下截面，A点和B点为超声波与管道内截面的交点，L为A点到B点的距离，N表示两个传感器从A点到B点的轴向距离，D为管道的内径，M为管道壁的厚度，α为超声波的入射角，β为管道轴向与超声波声道之间的夹角，V为流体的流速。

为了保证流速检测的精度，检测方法还考虑管道壁厚(M)。设t1,A表示超声波从传感器1到A点在管壁中传输的时间，tA,B表示超声波顺流从A点到B点的传输时间，t2,B表示超声波从传感器2到B点在管壁中传输的时间，tB,A表示超声波逆流从B点到A点的传输时间。tA,1，tB,2的定义原则相同。

因为在管道壁中超声波的传播速度是保持不变的，且管壁厚度相同，于是有：t1,A=tA,1=t2,B=tB,2。

顺流方向，超声波从传感器1到A点在管壁中的传播时间为：

(1)

超声波从A点到B点的传播时间为：

(2)

因此，顺流方向传播时间即传感器1到传感器2的传播时间为：

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

(3)

同样地，逆流方向，超声波从传感器2到B点在管壁中的传播时间为：

(4)

B点到A点的传播时间为：

(5)

因此，逆流方向传播时间，即传感器2到传感器1的传播时间为：

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

(6)

以上公式中：C为超声波在静止的流体介质中的传播速度；C0为超声波在管壁中的传播速度；α由传感器设计时确定，取45°。

L2=N2+D2

(7)

(8)

由上述各式，推导得到流速V的表达式为：

(9)

式(9)与C无关，只与超声波传感器的安装位置(决定N的大小)、管道的内径D、管道壁的厚度M、管道的材质(决定C0的大小)有关。所以只需要在使用之前固定好传感器的位置、设置好相应的管道参数(N、M、D)和管道(通过选择不同的材质，例如常见的铸铁、不锈钢、铜管、PVC、玻璃等)，便携式主机单元可自动查出超声波在其中的传播速度。

便携式现场主机单元在计量超声波顺流方向传播时间t1,2和逆流方向传播时间t2,1后，可由式(9)计算得到流速。

几种常见的超声波在不同管道材质中的传播速度如表1所示。

表1　几种常见超声波管道材质传播速度

2便携式检测装置的硬件电路设计

基于超声波的便携式管道流体流速自动检测装置主要由便携式现场主机单元、纽扣式的超声波收发装置、时间数字转换器、超声波专用电缆线和上位机实时监控单元构成[6]。

便携式超声波管道流速检测装置可以单独使用，当便携式检测设备通过串口通信模块与上位机相连接时，可以与上位机通信进行数据交互。便携式管道流体流速检测装置的总体硬件电路设计如图2所示。

图2　装置总体硬件电路设计

图3为TDC-GP2外围电路连接图。

图3　TDC-GP2外围电路连接图

TDC-GP2芯片[7]具有皮秒级别的高精度时间测量能力，TDC-GP2外接两个晶振，其中4 MHz的高速晶振用于时间测量和时钟校准，32 kHz的晶振用于芯片的内部定时。Fire1和Fire2能够触发两组高速脉冲激励信号，用于激励上下两组超声波收发装置。Start引脚用于测量超声波计时开始的信号，Stop引脚用于接收测量停止的信号。两个超声波收发单元各自发射和接收超声波，通过专用的超声波专用电缆线，将信号传输到便携式现场主机单元中。该收发装置固定在管道上，用于实现管道流体流速的非接触式测量。系统采用MAX232芯片实现串口通信的功能，其接线如图4所示。

图4　MAX232芯片串口通信接线图

3流速检测设备系统软件设计

流速检测系统检测流程如图5所示。

图5　系统检测流程图

一种基于超声波的便携式管道流体流速自动检测装置的应用软件设计，主要包括初始化程序，流速数据的处理运算，实时数据的显示、通信处理，流速数据的保存和管理4大部分。

①扫描初始化程序，包括从EEPROM中读取运行参数，A/D端口的初始化，串口通信方式的配置。

②采集待检流速的管道参数：传感器的安装位置(N的大小)、管道的内径D、管壁厚度M、管道的材质(C0的大小)，超声波在常见不同材质中的流速见表1。

③TDC-GP2测量得到超声波顺流方向传播时间和逆流方向传播时间。

④在系统中预先设定一个采样次数常数N，用于确定顺流和逆流的采样时间个数，均值滤波，求N次采样时间的均值。由式(9)计算得到流速。

⑤LCD液晶显示模块显示实时的流速值。

⑥当便携式主机与上位机通过串口RS-232相连时，上位机不仅可以向主机发出控制命令，设置管道的参数，而且还可以记录并保存流速数据。上位机可以实现参数设置、实时数据显示、流速曲线显示和报警记录4个功能，并且可以对多台检测设备同时在线监控，实现对工程中的流速数据集中分析处理，以便进行数据溯源。

4结束语

本文提出一种超声波管道流体流速传感器的检测原理，并设计出一种可实现对不同管径大小的管道流体流速的便携式检测装置。该流体流速检测装置柔性安装，易于携带。现场的主机单元能够自动检测并显示当前流速大小。当便携式检测设备与上位机相连时，可以实现对多台设备检测的流速数据的记录保存和分析。

便携式管道流体流速检测方法适用于一些不宜直接接触的流体介质，实现非接触式的管道流体流速的自动检测，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 涂亚庆,苏奋华,沈廷鳌,等.自适应陷波器的科氏流量计信号频率跟踪方法[J].重庆大学学报:自然科学版,2011,34(10):147-152.

[2] 王菊芬,孟浩龙,岳彬,等.新型涡轮流量计的理论模型[J].力学与实践,2014,36(1):64-68.

[3] 何成.长距离矿浆管道输送过程检测与控制关键技术的研究[D].长沙：湖南大学,2014.

[4] 蔡富东.用于非接触式表面测速的江河流量回归计算模型[J].信息技术与信息化,2014 (1):90-93.

[5] 李小亭,王小杰,方立德,等.新型内外管差压流量计特性研究[J].仪器仪表学报,2012,33(10):2371-2379.

[6] 唐文,刘芳伶.MSP430 系列单片机软件在线升级设计与实现[J].通信技术,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

中图分类号：TH81;TP274

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605024

江苏省产学研联合创新基金资助项目(编号：BY2013016)。

修改稿收到日期：2015-07-17。

作者项亚南(1989-)，男，2015年毕业于江南大学控制科学与工程专业，获硕士学位；主要从事检测技术及自动化装置方向的研究。