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1、 摘 要近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器-基于超声波技术的汽车油耗检测仪器。基于超声波技术下的燃油消耗检测仪器是一种利用超声波流量计技术测量燃油
2、流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。全套图纸，加153893706关键词：超声波换能器、流量、模块、环鸣法、FPGA、串行通讯ABSTRACTIn recent years, Automobile industry has been developing by leaps and bounds, due to the global high-tech is changing and people to the environmental pro
3、tection and energy saving more attention, all kinds of fuel consumption testing instrument is made, but mostly disintegrated type of fuel detection technology fuel consumption testing instrument, mainly for volumetric method and quality standard. Because this test equipment of structure is complex,
4、especially in the first China promulgated on passenger cars fuel consumption of standard, make cars limit consumption detection more urgent demand, not the disintegration of fuel consumption analysis system development research ministry of science research project is significant. The project includi
5、ng from plan, hardware design, signal processing to software programming and many other topics, the aim of this paper is to design a set of non-dismatiement testing instruments fuel consumption based on ultrasonic technology - the fuel consumption testing instruments.Based on the fuel consumption un
6、der ultrasonic technology testing instrument is a use of ultrasonic flowmeter measurement fuel flow and technology through calculation of fuel consumption circuit get a new type of fuel consumption testing instruments.Ultrasonic flowmeter is not disturbed flow field, no moving parts, without pressur
7、e loss, high accuracy, stable and reliable performance, wide measuring range and other characteristics, widely used in liquid and gas measurementKeywords： Ultrasonic Transducer, Flow, Module, Ring Sound Method, The FPGA, Serial expertII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1燃油经济性的概念和意义11.2汽车油耗检测的发展概况21.3国内外汽车油耗仪
8、检测研究现状21.4课题研究背景及意义31.5本设计主要研究内容6第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定82.1汽车油耗仪器的测量方法与分类82.1.1直接测量法82.1.2间接测量法102.2超声波流量计发展历程与研究现状102.2.1超声波测量技术发展概况102.2.2超声波流量计国内外研究现状112.3管道流量测量的理论基础132.3.1流量的基本概念132.3.2管道内流体理论142.3.3流速补偿系数对流速公式的修正172.4超声波流量测量的原理182.4.1时差法182.4.2多普勒法202.4.3相关法202.5超声波测量方案的确定212.6本章小结22第3章 超声波油
9、耗检测仪器硬件电路的设计233.1 系统硬件电路的总体设计233.1.1 系统硬件的结构设计233.1.2系统工作原理及流程243.2系统硬件电路的模块设计253.2.1微控制器模块253.2.2看门狗电路的初设计263.2.3超声波发射模块273.2.4超声波接收及后续处理模块283.2.4发射/接收切换电路343.2.5实时时钟、看门狗及数据存储模块343.2.6液晶显示模块363.2.7 键盘模块373.2.8微型打印机的选择403.2.9 通讯接口的选择413.2.10电源模块423.2.11超声波换能器的选择433.3 本章小结44第4章 智能型汽车油耗仪机械部分设计454.1 壳体
10、材料的选择454.2 外型尺寸的确定454.3 控制面板的设计464.4 数据线接口的设计474.5 油耗仪器内部结构设计484.6 超声波换能器装夹结构设计494.7 本章小结50第5章 FPGA的数字系统设计515.1 FPGA的芯片选择515.2 FPGA内部模块设计515.2.1高速计数器模块525.2.2时钟信号模块545.2.3逻辑控制模块545.3 FPGA的接口电路设计545.4 本章小结55第6章 软件系统的设计566.1系统软件整体结构及功能566.2主要功能模块的设计576.2.1系统主程序模块576.2.2中断服务程序模块576.2.3计算模块的程序设计616.2.4数
11、据存储模块626.2.5显示模块636.2.6按键的去抖功能的程序流程图设计646.3 本章小结65第7章 试验研究及误差分析667.1 试验的目的和意义667.2零流量下的相关实验667.2.1换能器收发信号波形实验667.2.2过零检测677.2.3零速检测677.3实时流量实验687.3.1实验方法687.4误差分析717.4.1管道直径的影响727.4.2固有延迟的影响727.4.3测量时差的影响727.4.4参数的影响727.4.5流量修正系数的影响737.5温度和压力的修正757.6本章小结76结论77参考文献78致谢81黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1燃油经济性的
12、概念和意义在当前和今后相当长的一段时期，汽车燃料仍将以石油产品为主。例如:西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的34%-45%；美国交通运输部门消耗国内石油产品的52%。2002年，我国原油产量为1.6亿吨，进口石油则超过7200万吨，耗费200多亿美元。汽车燃油消耗量分别占我国汽油和柴油产量的87%和21%。据统计2010年我国石油进口高达1.6亿吨。此外，由于汽车运输的油耗占汽车运输成本的20%以上。节约燃料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大。例如:同1970年相比，1993年美国汽车平均油耗下降了33%。为此世界各国都把降低汽车能
13、耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的能力，称为汽车的燃油经济性.提高汽车的燃油经济性，从汽车的设计和生产上来讲，改进发动机结构(如发动机的稀燃技术)是一个趋势，从而改善燃油的燃烧状况，提高发动机的热效率，来减少汽车的尾气对环境的污染。并且，汽车燃油经济性与汽车的底盘和发动机的结构和技术状况密切联系，所以汽车的燃油经济性可以作为汽车技术性能的综合考查指标。提高汽车的燃油经济性，即改进燃油的利用率，既可节约石油资源，又可降低我国对石油进口的依赖度;既降低运输成本，又可提高运输效益;并且可减少环境排放尾气污染量，从而改善
14、环境质量。世界各国对提高汽车的燃油经济性都有自己的方法。在2002年年底，美国布什政府出台提高轻型车燃油经济标准的相关法规，它们的第一步是从2002年的20.7MPG(miles per gallon，英里/加仑)提高到2007年的22.2 MPG，即等同于百公里油耗从11.36L/100km减少至10.60 L/100km。根据美国交通安全部的统计数据，此举意味着到2007年，美国的汽油消耗量可以减少25亿加仑（1加仑=0.003785411784立方米）相当于9 463 529 460升。在1999年3月，日本在“能源合理消费法”中已经第二次颁布关于改善机动车性能的公告，在此公告中，分别规
15、定了总质量小于2.5 t的载货汽车和乘用车的油耗限定值，要求和1995年相比，2010年汽油车油耗限定值至少要降低20%。德国要求在汽车制造厂生产的汽车的平均燃油消耗量1980年的为9.25L/100km,1990年的为7.96L/100km, 2005年比1990年降低1/4。综上可见，较好的燃油经济性可以减少汽车的油耗，从而降低汽车的使用费用;进而降低国家总的石油消耗量，缓解国家能源危机。良好的燃油经济性还可以降低汽车CO、CO2、HC化合物及颗粒物的排放，有利于生活环境的改善。1.2汽车油耗检测的发展概况上世纪七十年代中期以前，世界各国还没有强制执行汽车油耗法规或标准。1973年中东石油
16、危机后，世界石油价格飞涨。此时，人们认识到石油资源的逐渐枯竭，也威胁到人类长远的正常生活。许多工业发达国家同时也是石油主要进口国，他们进口的石油有相当大的部分消耗在汽车上，从能源的安全性考虑，如果不控制汽车的油耗，他们的经济发展可能会受控于石油出口国。于是1975年美国政府首先颁布了能源保护法和能源政策，并制订了控制汽车燃油消耗量的法规，成为世界上第一部强制执行的汽车油耗法规。上世纪八十年代以来，世界各国开始关注温室效应引起的全球范围的气候变暖。二氧化碳（)是造成温室效应的主要因素，各种温室气体中约分担了50%的责任，工业发达国家汽车排放的约占该国总排放量的30%-40%。由于汽车的燃油消耗量
17、与的排放量有直接关系。于是，油耗法规的意义不单是能源问题，还关系到环境问题。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能、环境保护的意义重大。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。我国汽车行业从八十年代初就开始了制定汽车油耗标准的工作，制定了测各类车辆燃油消耗量的统一试验方法标准，并颁布了各类车辆的行业性燃油耗量限值标准，如:(1) GB/T 12545-1990汽车燃料消耗量试验方法;(2) JB 3809-1984载货汽车燃料消耗量限值;(3) JB 3806-1984重型载货汽车燃料消耗量限值;(4) GB/T 12545.1-2001乘用车燃
18、料消耗量试验方法;由于这些都是行业性或推荐性的标准，加上油耗检测起来相对麻烦，所以国内多数检测站没有油耗检测项目或者是有而不用，所以把油耗检测真正纳入检测项目中来也是我国有待解决的问题。1.3国内外汽车油耗仪检测研究现状燃油消耗量是评价汽油机经济性的重要指标，是汽车发动机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是汽车性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽车实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，发动机台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。目前的油耗仪多为体积式的，日本小野公司的FP
19、-214型活塞式流量传感器，最低采样时间为0.1s，最小油量分辨率为lmL，传感器量程为0. 3120L/h。涡轮流量仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，可测量0.05 1200L/min的液体流量，在标定条件下，精度可达0.5%，响应时间2-10ms。中小功率汽油机燃油流量小，一般在10-3000mL/min，超出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以满足汽油机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。美国Pierburg仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型，流量范围可从1 L/h起，响应时间为200ms精度可达士0.1%。奥地利的AVL公司研制的台架
20、试验中发动机燃油耗的精确测量仪，在油量25时精度较高，台架试验测量范围为0150kg/h，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200ms。国内有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。而应用软件与底盘测功机结合进行油耗测量的系统更加少，目前底盘测功机上应用的软件都是一些串口调试软件，通过与油耗仪结合，接受油耗仪的数字信号，通过计算机分析处理，得出油耗结果。现在，国内油耗测试市场还是主要沿用传统的油耗仪测试方法和台架试验方法。1.4课题研究背景及意义由于燃油紧缺对汽车油耗这一参数提出了很高的要求，因此油耗仪作为其检测设备也应具有相应的精度。现有的油耗仪
21、在出厂前通常只通过精密天平或者量筒对其进行标定。长期以来，油耗仪在生产和使用过程中缺乏检验装置进行全面有效检定，导致油耗仪失准，这是现有油耗仪质量失控的主要原因。1、我国经济持续快速发展，对石油资源的需求激增，能源供需矛盾日益突出据公安部交管局发布的数据(按上牌数来计算，这是最权威的数据了)显示，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中汽车8500多万辆，中国目前就汽车保有量已经超过7500万辆左右的日本，仅次于拥有约2.5亿辆的美国，成为全球汽车保有量第二大国。而且我国还以每年新增机动车2000多万辆的数量在增加。2002年中国有将近2050万辆车，当时中国每天大约消耗540万桶石油。而现在我
22、们到底每天需要的石油消耗。根据国际能源组织的评估：仅中国自己就需要世界石油需求增长的40%，中国的能源消费占全球的10%，美国能源消费是中国的两倍，因此中国石油的消费将增长7.6%，每天达920万桶。到2015年中国预计将每天消费石油达到1160万桶。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。据预测到2020年车用燃油消耗为3.05亿吨，换算成原油将超过5亿吨，车用燃油成为我国新增石油消耗的主体。以中国的石油储备量和2008年中国石油静态消费量计算，我国的石油储备再过10年将全部耗尽。如果想将之延长到20年，则50%以上的车辆必须停止行驶。目前，包括欧盟、美国、日本、韩国等在内的很多国家
23、和地区都已经根据各自国情实施了不同形式的汽车燃料消耗量标示制度，作为控制汽车二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。由于经济的飞速发展和机动车保有量急剧膨胀所引起的石油危机将在所难免，为此我国加快汽车节能管理体系的建立和完善。陆续出台了相关标准：轻型汽车燃油消耗量试验方法于2003年出台，解决了制造商在标示汽车油耗值时的随意性，必须按照统一的试验方法得到的数值来标示。乘用车燃料消耗量限值GB19578-2004于2005年7月1日实施。我国首次按车辆重量分组确定不同汽车应该达到的燃料消耗量，实施后汽车厂商要通过产品文件和网络等途径向消费者公示生产车型的燃料消耗量;对于新认证车：第一阶段的执行日期为2
24、005年7月1日，第二阶段的执行日期为2008年1月1日；对于在生产车：第一阶段的执行日期为2006年7月1日，第二阶段的执行日期为2009年1月1日。从2012年开始实施第3阶段，将把车型燃油消耗量作为评价指标，从而取代原先按单车限制的评价方法。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准将不再针对单车采用限值的燃油消耗量评价方法，而是从技术可实现的角度上，以整车装备质量为特征参数，为各个不同的质量段分别设定车型燃油消耗量目标值。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准的目标是使我国乘用车燃油消耗量平均水平在2006年的基础上下降15%左右，到2015年达到7L/100km的目标。轻型商用车燃料消耗量限值（GB
25、20997-2007）为我国的轻型商用车设定了两个阶段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新认证基本型车及其变型车应符合第二阶段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前认证车型的在生产车及其变型车应符合第一阶段限值要求；自2011年1月1日起，适用于本标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求。第二阶段目标实现后，我国轻型商用车的平均燃油消耗量可望减少10%15%。 低速货车燃料消耗量限值及测量方法（GB21378-2008）于6月1 日起实施。这项标准是我国第一项限制低速货车燃料消耗量的强制性国家标准。低速货车是指最高设计时速不大于每小时70公里，最大设计总质量不大于4500
26、千克的货运车。营运客车燃料消耗量限值及测量方法JT 7112008规定营运汽油客车燃料消耗量限值在柴油客车燃料消耗量限值的基础上相应增加15%。新投入的营运客车，2008年9月1日起执行第一阶段限值；2010年1月1日起执行第二阶段限值。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定规定从2010年1月1日起，所有最大设计总质量在3500kg以下的乘用车和轻型商用车在销售时都必须粘贴汽车燃料消耗量标识并标注由国家指定检测机构按照统一的国家标准测定的市区、市郊、综合三种工况的燃料消耗量;消费者可以根据购车后的预期使用情况参照相应的燃料消耗量选择车辆。2、油价不断上涨，人们更加关注汽车油耗,厂家公布的油耗与实际差
27、距很大石油在1998年最低点每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶。现在每桶石油价格是105美元，而我们中国每天需要920万桶石油。我们每天就石油一项每天需要96600万美元。虽然我们自己国家开采石油可供应一半市场需求。那我们国家每天也在石油这一项需要支出外汇48300万美元。而2010年我国新增2000万辆新车。这些车都会增加我们多少石油消耗？换而言之是2010年我们需要使用比2009年更多的外汇购买石油！我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。所以经济、节油型汽车就是目前众多汽车厂家研究的对象。而许多汽车厂商也开始推行自己的汽车百公里油耗。但是汽车厂商宣传的百公里油耗
28、，是在理想状态下测出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速测取。因此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。一辆排量2.4L的车，理论油耗为6.2L/100km，而实际油耗却高达10L/100km以上。实测综合油耗与理论油耗相差的竟然如此之大。 因此工业和信息化部公布轻型汽车燃料消耗量标示管理规定：针对总质量在3.5t以下的乘用车和轻型商用车，包括国产和进口车型，在销售时必须粘贴汽车燃料消耗量标识，并标注按照国家统一标准测定的市区、市郊、综合三种工况的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽车燃料消耗量标示数据根据GB/T 19233-2008轻型汽车燃料消耗量试验方
29、法测定。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定,标志着统一标准下的车辆真实油耗即将取代目前车厂所公布的油耗数据。新车将被强制要求在指定检测机构进行燃料消耗量检测,以获得统一标准下的车辆真实油耗数据。这在消费者对各种油耗值信任度下降的背景下,需要一个更专业、更权威的检测数据来正本清源。3、汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。这些增长潜在着消耗我们的外汇和我们的环境与身体健康。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000kg，碳氢化合物200400kg，氮氧化合物50150kg；美国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的9
30、0%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。我们每年购买石油使用的美元千亿上下！我们近2亿辆机动车，如果全部开动，那么一天就会排出一项一氧化碳就是60万吨。会对人体健康产生多么大的影响？！石油每年消耗我们数千亿美元、机动车每天给我们呼吸的空气中添加一氧化碳60万吨。所以我中国面临着国内的油田产量已经严重满足不了国家与人民群众的需求、必须每年外购千亿美元的石油、使用石油带来的严重的空气污染、等等！这些严重的问题，他迫切的要求我们对汽车燃油消耗进行精确控制，达到节能减排的目的。2004年的产业政策，首次鲜明地提出国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业及相关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车的
31、燃油经济性，明确提出2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车油耗公示制度。国家发改委等相关部门制定的乘用车类汽车的节能目标也与我国的石油资源状况吻合即通过先进节能技术的应用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共计下降50%，也即2020年时乘用车的平均燃料消耗量达到5L/100km，实现与国际水平的接轨。因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。1.5本设计主要研究内容我国对燃油消耗量的测量研究已取得一些成果。但是要提高汽车的燃油经济性，就要以燃油消耗量的准确测量为前提。基于超声波技
32、术的燃油消耗检测仪器可以有效提高这种测量的精度。本文主要研究的内容：（1）介绍基于超声波技术的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；设计本次油耗仪器的结构；（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；（3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；（4）根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统流程设计，编写控制程序流程图；（5）超声波检测仪器的外形设计；（6）超声波换能器的夹紧机构的设计。第2章 超声波式燃油消耗检测仪的原理及方案的确定2.1汽车油耗仪器的测量方法与分类 汽车油耗检测方法包括直接测量法和间
33、接测量法两类。2.1.1直接测量法直接测量法通过计量一定时间或里程内汽车所消耗的燃油体积或质量，得到汽车的燃油消耗量。包括容积法、质量法（失重法）等。该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,存在着安全问题(汽油挥发造成污染和易燃)；油耗仪串入到油路中会影响到发动机燃油的供给和燃油消耗量的测试精度；同时,油耗仪的安装连接十分不便；安装和测量过程时间较长。（1）容积法、质量法油耗检测原理如图2.1所示，系统采用流量传感器检测燃油流量信号，并将信号送给单片机处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据输出，通过键盘实现人机交互功能，还
34、可通过通讯接口实现数据传输，扩展系统功能。通常体积流量检测采用涡轮流量传感器、超声波流量计等，质量流量检测采用压差传感器（质量传感器）。 图2.1 油耗检测原理发动机进、回油管道上各安装一只涡轮流量传感器,用来得到进、回油管道的流量信号，并送入单片机。单片机对进、回油管道流量信号进行处理,并做温度修正,得到进、回油管道标态体积流量,然后对进、回油管道的流量进行差值计算,累加得到实际燃油消耗量。（2）油耗测量计量方法容积法测量。在测量范围内,传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比,该比值即体积仪表系数K,计算公式:或 （2.1） 式中:为流量信号频率,Hz；为体积流量,l/h；为脉冲数；为体积总量
35、,L。将仪表系数 K预先置入单片机中,单片机即可由获得的流量脉冲频率 f 与仪表系数K之比求得管道燃油流量Q。质量法（失重法）测量，如图2.2所示。图2-2 质量法（失重法）测量原理图中：1-密封贮油罐 2-质量传感器 3-信号处理4-电路电磁阀 5-供油管 6-出油管 7-旁通管密封贮油罐固定于质量传感器之上,质量传感器输出与油罐内的燃油质量成正比的电信号： （2.2）式中为油罐自重；为罐内燃油质量；为贮油罐总质量。测量时,传感器输出的电压信号随着油罐中燃油的消耗而降低。对测量过程传感器输出的电压信号求导，k为仪表常数： （2.3）2.1.2间接测量法间接测量法即不解体测量法，包括碳平衡法、
36、超声波法（测体积流量）、燃油喷射量累积法等。（1）碳平衡法通过发动机混合气燃烧前、后的碳(C)质量守恒,得到汽车的燃油消耗量。基于物质守恒定律。该方法只要测得排气 (或稀释排气) 中含C成分(主要是CO2、CO、HC) 和排气(或稀释排气)的流量,就可得到排气中总的C质量；燃烧前的C质量主要来源于燃料 ,同时考虑参与燃烧的空气(或用于稀释的空气)含有的C。因此,只要测量(稀释) 排气的流量和含C成分的浓度以及空气中的含C成分浓度,就可实现汽车和发动机不解体燃油消耗量的测量,解决直接测量法存在的弊端。（2）燃油喷射量累积法根据电控喷射发动机的特性及原理，汽车耗油量与喷油器的开启时间成正比，直接通
37、过采集喷油器的控制脉冲宽度（即喷油时间），找出耗油量和控制信号脉宽之间的关系，只需测量控制信号脉宽就可以计算出相应的耗油量及耗油率。（3）超声波法（测体积流量）当超声波在流动的媒质中传播时，超声波速度与静止媒质的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。因此根据超声波速度的变化即可求出媒质流速。2.2超声波流量计发展历程与研究现状2.2.1超声波测量技术发展概况超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术。这种技术不仅应用在工业的石油、水资源的管理等各方面，而且在医疗、海洋观测、河流及各种计量测试中都有着广泛的应用。20世纪30年代，Rut
38、ten发表的专利提出了用声信号测量流量，带动了各国超声波流量测量的研究，如美国、意大利等相继出现，但都没有大的进展，都局限十对相位差法的研究。50年代，出现“鸣环”测量法，即通过多次循环测量，其测量周期长，响应慢，系统可靠性差。20世纪70年代中后期，由于电路技术的发展，使得超声波流量计克服了一些以前的弱点，使高精度时间测量成为可能，加上具有高性能的锁相环(PLL)技术的应用，使得超声波流量计的性能开始完善，在稳定性和可靠性方面得到了提高。声速变化会对测量结果产生影响，所以出现了频差法，来消除声速带来的误差。锁相频差法测量方法，测量周期短，响应速度快，所以这种测量方法在大管径大流量的超声波流量
39、计的设计得到应用并且测量精度得到保证，但缺点是不能应用在小管径小流量的测量，保证不了测量的精度。加上前苏联的科研工作者通过大量的实验对管道内流体作了深入的研究，得出管道内流体流动存在层流和紊流两种状态，并给出了层流状态与紊流状态下流速分布规律，为了使超声波流量计的测量更加准确，精度得到提高，提出了流速修正系数及理想状态下的理论计算公式。至此，性能日益完善的超声波流量计投入市场，开始迅速发展起来。到了80年代，随着电子技术及相关理论的发展，超声波流量计的种类也越来越多，其中最主要的是频差法、时差法、多普勒法、相关法、射束位移法等。后来单片机技术在超声波流量计得到应用，有了单片机做核心控制处理单元
40、，使得系统能够进行复杂的数据运算、分析与逻辑处理，还能设计出方便于用户使用的人机界面，使得超声波流量计向高性能、智能化方向发展。单片机在超声波流量计中的使用，超声波流量计真正开始走向了成熟。最近10多年来，由于微处理器技术的进步、高速数字芯片的出现和数字信号处理技术的成熟，以及先进压电陶瓷和材料加工技术的发展，对超声波声道的不同配置和对流体动力学的深入研究，超声波流量测量技术取得了巨大的进步，在越来越多领域得到了应用，具有广阔的发展前景。2.2.2超声波流量计国内外研究现状当今全世界超声波流流量测量技术处于领先水平的国家有:美国、日本、荷兰、德国、英国、和加拿大等。它们在超声波流量计方面具有较
41、高的技术，在研制和生产方面具有丰富的经验，占据了很大部分份额的超声流量计市场，主导着超声波流量计的发展趋势。他们的测量技术和测量精度都达到了较高的水平。较多的国外产品采用数字信号处理技术。同时结合功能强大的DSP（数字信号处理Digital Signal Processing技术）实现快速实时地对超声波信号进行处理，并实现一些复杂的测量或数据处理算法。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
42、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。 （a）1010P 便携式超声波流量计(b)FV3018固定式超声波流量计厂商：美国康了创Controlotron厂商：大连索尼卡电子有限公司（c）TDS-100H 手持式超声波流量计（d）TDS-100S 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2.3
43、 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。但在应用对象上有一定区别，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，DSP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DSP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，并结合一些数字信号处
44、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2.3给出了几种超声波流量计产品的照片，美国康乐创的IOIOP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I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6mm到10m,精度为0.5%,。大连索尼卡的FV3018是管外测量时差式超声波流量计，测量管径从15mm到6m，精度为士1.0%。上海横特自动化仪表的TDS-1 OOH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15mm
45、到6m,精度优于1%。大连大禹仪器仪表的TDS-100S盘装 式超声波流量计，口径也是15mm到6m，是国内最先到达精度为1%的超声波流量计。2.3管道流量测量的理论基础2.3.1流量的基本概念流量是指单位时间内流过某一截面的流体量，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。质量流量一般用表示，体积流量一般用表示。用数学表达式可以表示为 （2.4） （2.5） 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，m/s； -管道截面积，。如果流体流动
46、是不随时间显著变化的，称之为常流，式(2.4)和式(2.5)中的时间t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(2.4)和式(2.5)中的时间t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。在一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： （2.6） （2.7）2.3.2管道内流体理论 1.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，一般有两种流动状态，一种是层流流动，一种紊流流动。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