基本信息
- 项目名称：
- 小口径超声波流量压力测量系统设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本设计基于工业现场液压系统中，小口径管道内流量和压力测量；为了达到非介入式测量的目的，采用超声波测量方法。超声波发射换能器高频发射一组脉冲波，接收换能器接收通过管道的回波，并计算两者的时间间隔，通过数学模型换算出相应的液体流量和压力。时差法是超声波流量压力测量系统的基本原理。
- 详细介绍：
- 在工业现场中，流量压力是反映液压系统运行工况的重要参数。对流量压力精确测量，可对系统的运行状态进行实时监控并方便维修。与传统的流量压力测量计相比，本设计采用非介入式测量，即传感器—超声波换能器无需插入管道中，而直接放在管道外，避免与介质接触，可保护传感器；并能极大的减少介质温度对测量精度的影响。 目前的超声波流量压力测量系统主要是针对大口径管道而设计的，如口径大于的1mm的油田石油传输管道。本设计将测量原理移植于小口径管道的流量压力测量，测量系统的实验设备口径达20mm。为了提高测量精度，选用中心频率为1Mhz的超声波换能器作为发射和接收传感器。 采用ALTERA公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作为测量系统的核心处理器件，代替昂贵的专用计时芯片，可系统成本。 目前，系统正处在实验室研究阶段，正不断的测试和完善。完善的测量系统可方便的满足小型设备上液压油管参数测量，具有推广价值；若能将精度做得更高，可将应用范围大大扩展，如与自动输液机器舱的药液流量监测等。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：在工业现场中，液压系统是机械工程设备上不可缺少的重要部分。为了及时的了解液压系统设备的运行情况，以便对系统的运行状态进行实时监控和方便维修，需要对液压系统管道内流体的参数进行测量和分析，如流量、压力、流速、温度等。而流量、压力又是最能反映液压系统工作状态的参数，如液压机床的工况诊断等，因此在实际生产中常常需要对这些参数进行测量和分析。在液压系统参数测量领域中，小口径管道因其直径小，不易安装测量元件，流量少等原因使其难以测量，需要采用新型的测量方法。 创新点： 1、由于超声波具有穿透性，因此超声波换能器不必插入液体管道内，可直接放置在管壁上，便于定位及安装；且换能器置于管外，不受流速影响，精度高。 2、针对小口径管道的测量难点，提出时差法超声波非介入式测量。所谓时差，在流量测量中指两个超声波换能器互相发射和接收信号间的时间差；在压力测量系统中即指换能器发射的超声波传递至接收换能器与发射回本身的时间差(流量及压力测量原理图见研究报告)。根据时间差与流量压力间的数学模型，便可以计算出相应的液体流量或压力。 3、目前小口径流量压力测量仪器的价格很高，其核心是采用高性能的专用芯片，本设计用CPLD芯片并行处理的优点，可节约成本，更利于市场推广。 超声波传播速度很快，在小口径管道内传播时间短，时差精度是整个系统设计的技术关键，超声波发射及接收的时间误差是主要技术指标。
科学性、先进性
- 1、本设计两个超声波换能器采用V法（两个换能器呈字母V摆放）安装， V法测量方法超声波在传输过程中增加了发射换能器和接收换能器间的距离，增大了接收时间有利于提高测量精度。另外，利用回波原理，即两个换能器互为发射接收传感器，每个处理周期内各发射和接收一次，这样有能消除系统固有误差，可大大提高测量精度。 2、提出一发两收的脉冲回波-穿透组合工作方式，可有效消除管壁的影响和系统误差。 3、为了得到高精度的测量系统，选用现场可编程门阵列FPGA作为核心处理器件。FPGA在处理时间可达纳秒，在硬件上满足时间精度要求。另外，利用实验室现有的FPGA实验班板结合自行设计的外围硬件电路作为时间测量模块，不用专门的高精度时间测量芯片，节约了课外项目成本。
获奖情况及鉴定结果
- 于2010年12月经西华大学学生科研领导小组专家评审，符合“西华杯”学生课外科研项目要求，顺利结题。
作品所处阶段
- 实验室阶段，测试研究并不断完善。
技术转让方式
- 合同
作品可展示的形式
- 图纸、图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点：小口径超声波流量压力测量系统采用非接触式安装方法，无须介入流体内部，是一种新型的测量方式。这种方法不仅安装方便，可灵活安装在液压系统管道上进行测量；而且超声波换能器不必与油液接触，温度变化小，对测量精度的影响也相对较小；另外还可避免油液对换能器的腐蚀，有利于保护仪器。在系统实现的工程中，用FPGA代替昂贵的计时芯片，可节约成本。 市场前景：目前，市面上有的超声波流量压力测量主要是用于大管径内液体流量和压力的测量，如石油传输管道内部参数的测量；本测量系统是基于管径15mm-100mm进行设计的，可方便的满足小型设备上液压油管参数测量，具有推广价值；若能将精度做得更高，可将应用范围大大扩展，如与自动输液机器舱的药液流量监测。另外，测量系统的技术特点方面的优越性也使得这种非接触式测量方法有别于传统测量方法，是未来液体参数测量的发展方向，具有巨大的经济发展潜力。
同类课题研究水平概述
- 1、哈尔滨工程大学的何群等对超声波测量的一些关键技术进行了研究[1]，浙江大学的姜勇等设计了时差法超声波流量计[2]。这两种流量计的设计方案中，超声波换能器均采用Z法（两换能器呈字母Z摆放）安装，并提出了时差法的基本原理和测量过程中的处理细节。 2、西安科技大学的郑大腾等提出非接触式超声波液压压力检测方法[3],西安工业大学宋利提出石油管道超声波压力测量[4],由于流量压力与液体流速没有直接的数学模型，提出标定的建模方法。 3、重庆大学何维也对液压系统的流量压力超声波测量技术进行了研究[5]，新加坡南洋理工大学的J.Y.A. Foo等人提出基于AT90S8535的脉冲发射时间测量方法[6]。这两篇文章将具体的电路处理作为研究核心，阐述了测量系统涉及的关键技术。 部分参考文献： [1] 何群.超声波流量测量系统的关键技术研究与实现[D]. 哈尔滨工程大学硕士学位论文，2004 [2] 姜勇. 时差法超声波流量计设计与研发[D]. 浙江大学硕士学位论文，2006 [3] 郑大腾 柴光远等.非接触式压力测量方法初探[J].液压与气动，2005，（1）：79-81 [4] 宋利等. 超声波石油管道压力测量及应用[J].国外电子测量技术，2006，（10）：62-64 [5] 何维. 液压系统流量、压力超声波检测技术研究[D]. 重庆大学工程硕士学位论文，2005 [6] J.Y.A.Foo and etc, Measurement of pulse transit time using AT90S8535 microcontroller[J].Measurement,volume 39.Issue 6,July 2006,Pages 505-511
