基本信息
- 項目名稱：
- 小口徑超聲波流量壓力測量系統(tǒng)設計
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本設計基于工業(yè)現(xiàn)場液壓系統(tǒng)中，小口徑管道內(nèi)流量和壓力測量；為了達到非介入式測量的目的，采用超聲波測量方法。超聲波發(fā)射換能器高頻發(fā)射一組脈沖波，接收換能器接收通過管道的回波，并計算兩者的時間間隔，通過數(shù)學模型換算出相應的液體流量和壓力。時差法是超聲波流量壓力測量系統(tǒng)的基本原理。
- 詳細介紹：
- 在工業(yè)現(xiàn)場中，流量壓力是反映液壓系統(tǒng)運行工況的重要參數(shù)。對流量壓力精確測量，可對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控并方便維修。與傳統(tǒng)的流量壓力測量計相比，本設計采用非介入式測量，即傳感器—超聲波換能器無需插入管道中，而直接放在管道外，避免與介質(zhì)接觸，可保護傳感器；并能極大的減少介質(zhì)溫度對測量精度的影響。 目前的超聲波流量壓力測量系統(tǒng)主要是針對大口徑管道而設計的，如口徑大于的1mm的油田石油傳輸管道。本設計將測量原理移植于小口徑管道的流量壓力測量，測量系統(tǒng)的實驗設備口徑達20mm。為了提高測量精度，選用中心頻率為1Mhz的超聲波換能器作為發(fā)射和接收傳感器。 采用ALTERA公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作為測量系統(tǒng)的核心處理器件，代替昂貴的專用計時芯片，可系統(tǒng)成本。 目前，系統(tǒng)正處在實驗室研究階段，正不斷的測試和完善。完善的測量系統(tǒng)可方便的滿足小型設備上液壓油管參數(shù)測量，具有推廣價值；若能將精度做得更高，可將應用范圍大大擴展，如與自動輸液機器艙的藥液流量監(jiān)測等。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設計目的：在工業(yè)現(xiàn)場中，液壓系統(tǒng)是機械工程設備上不可缺少的重要部分。為了及時的了解液壓系統(tǒng)設備的運行情況，以便對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和方便維修，需要對液壓系統(tǒng)管道內(nèi)流體的參數(shù)進行測量和分析，如流量、壓力、流速、溫度等。而流量、壓力又是最能反映液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的參數(shù)，如液壓機床的工況診斷等，因此在實際生產(chǎn)中常常需要對這些參數(shù)進行測量和分析。在液壓系統(tǒng)參數(shù)測量領(lǐng)域中，小口徑管道因其直徑小，不易安裝測量元件，流量少等原因使其難以測量，需要采用新型的測量方法。 創(chuàng)新點： 1、由于超聲波具有穿透性，因此超聲波換能器不必插入液體管道內(nèi)，可直接放置在管壁上，便于定位及安裝；且換能器置于管外，不受流速影響，精度高。 2、針對小口徑管道的測量難點，提出時差法超聲波非介入式測量。所謂時差，在流量測量中指兩個超聲波換能器互相發(fā)射和接收信號間的時間差；在壓力測量系統(tǒng)中即指換能器發(fā)射的超聲波傳遞至接收換能器與發(fā)射回本身的時間差(流量及壓力測量原理圖見研究報告)。根據(jù)時間差與流量壓力間的數(shù)學模型，便可以計算出相應的液體流量或壓力。 3、目前小口徑流量壓力測量儀器的價格很高，其核心是采用高性能的專用芯片，本設計用CPLD芯片并行處理的優(yōu)點，可節(jié)約成本，更利于市場推廣。 超聲波傳播速度很快，在小口徑管道內(nèi)傳播時間短，時差精度是整個系統(tǒng)設計的技術(shù)關(guān)鍵，超聲波發(fā)射及接收的時間誤差是主要技術(shù)指標。
科學性、先進性
- 1、本設計兩個超聲波換能器采用V法（兩個換能器呈字母V擺放）安裝， V法測量方法超聲波在傳輸過程中增加了發(fā)射換能器和接收換能器間的距離，增大了接收時間有利于提高測量精度。另外，利用回波原理，即兩個換能器互為發(fā)射接收傳感器，每個處理周期內(nèi)各發(fā)射和接收一次，這樣有能消除系統(tǒng)固有誤差，可大大提高測量精度。 2、提出一發(fā)兩收的脈沖回波-穿透組合工作方式，可有效消除管壁的影響和系統(tǒng)誤差。 3、為了得到高精度的測量系統(tǒng)，選用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA作為核心處理器件。FPGA在處理時間可達納秒，在硬件上滿足時間精度要求。另外，利用實驗室現(xiàn)有的FPGA實驗班板結(jié)合自行設計的外圍硬件電路作為時間測量模塊，不用專門的高精度時間測量芯片，節(jié)約了課外項目成本。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 于2010年12月經(jīng)西華大學學生科研領(lǐng)導小組專家評審，符合“西華杯”學生課外科研項目要求，順利結(jié)題。
作品所處階段
- 實驗室階段，測試研究并不斷完善。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合同
作品可展示的形式
- 圖紙、圖片。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術(shù)特點：小口徑超聲波流量壓力測量系統(tǒng)采用非接觸式安裝方法，無須介入流體內(nèi)部，是一種新型的測量方式。這種方法不僅安裝方便，可靈活安裝在液壓系統(tǒng)管道上進行測量；而且超聲波換能器不必與油液接觸，溫度變化小，對測量精度的影響也相對較?。涣硗膺€可避免油液對換能器的腐蝕，有利于保護儀器。在系統(tǒng)實現(xiàn)的工程中，用FPGA代替昂貴的計時芯片，可節(jié)約成本。 市場前景：目前，市面上有的超聲波流量壓力測量主要是用于大管徑內(nèi)液體流量和壓力的測量，如石油傳輸管道內(nèi)部參數(shù)的測量；本測量系統(tǒng)是基于管徑15mm-100mm進行設計的，可方便的滿足小型設備上液壓油管參數(shù)測量，具有推廣價值；若能將精度做得更高，可將應用范圍大大擴展，如與自動輸液機器艙的藥液流量監(jiān)測。另外，測量系統(tǒng)的技術(shù)特點方面的優(yōu)越性也使得這種非接觸式測量方法有別于傳統(tǒng)測量方法，是未來液體參數(shù)測量的發(fā)展方向，具有巨大的經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Α?
同類課題研究水平概述
- 1、哈爾濱工程大學的何群等對超聲波測量的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究[1]，浙江大學的姜勇等設計了時差法超聲波流量計[2]。這兩種流量計的設計方案中，超聲波換能器均采用Z法（兩換能器呈字母Z擺放）安裝，并提出了時差法的基本原理和測量過程中的處理細節(jié)。 2、西安科技大學的鄭大騰等提出非接觸式超聲波液壓壓力檢測方法[3],西安工業(yè)大學宋利提出石油管道超聲波壓力測量[4],由于流量壓力與液體流速沒有直接的數(shù)學模型，提出標定的建模方法。 3、重慶大學何維也對液壓系統(tǒng)的流量壓力超聲波測量技術(shù)進行了研究[5]，新加坡南洋理工大學的J.Y.A. Foo等人提出基于AT90S8535的脈沖發(fā)射時間測量方法[6]。這兩篇文章將具體的電路處理作為研究核心，闡述了測量系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。 部分參考文獻： [1] 何群.超聲波流量測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學碩士學位論文，2004 [2] 姜勇. 時差法超聲波流量計設計與研發(fā)[D]. 浙江大學碩士學位論文，2006 [3] 鄭大騰 柴光遠等.非接觸式壓力測量方法初探[J].液壓與氣動，2005，（1）：79-81 [4] 宋利等. 超聲波石油管道壓力測量及應用[J].國外電子測量技術(shù)，2006，（10）：62-64 [5] 何維. 液壓系統(tǒng)流量、壓力超聲波檢測技術(shù)研究[D]. 重慶大學工程碩士學位論文，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
