【正文】 12 圖 7 接 收 示 意 圖 1) 信號在流體中傳播時， 其強弱容易受到流體中的雜質(zhì)、氣泡等諸多因素的影響，產(chǎn)生反射、折射、吸收等現(xiàn)象，使得超聲波能量衰減不一，閾值電壓難以 設(shè)定 ： 2) 閾值電壓設(shè)定后，當(dāng)接收信號強弱變化時，就可能會使第一個波形超過閾值電壓而被接收，誤當(dāng)作第二個波形處理；或者當(dāng)?shù)谌齻€波形來到時才高出閾值 電壓而被采集，這樣會嚴重影響流量計的精度 ； 3) 實際采集信號時，常常是選取波形上升沿的某個位置，如圖 7 所示，這 樣實際采樣點與信號達到時刻相差不是一個整周期，這樣即便是減去一個周期的 時間，測量值還是存在明顯的誤差，尤其是頻率比較低時上升沿 的坡度變得緩慢，誤差也會隨之加大 ； 4) 由于閾值選定，就對信號的放大倍數(shù)提出了一定的限制，不能過高或者過 低，所以當(dāng)電路受到外界環(huán)境的影響（比如溫度變化等）使得接收信號的強度發(fā) 生變化時，直接影響檢測的波形，導(dǎo)致測量不準確 。但設(shè)計此窗口寬度時，必須考 慮介質(zhì)溫度變化所引起的聲速變化以及環(huán)境溫度對電子元件參數(shù)影響等因素 。 PLL 鎖相回路的基本原理如圖 8 所示，設(shè)置一個電壓控制振蕩器 VCO ，同步信號發(fā)生器 使發(fā)射器激勵換能器，發(fā)射超聲波脈沖，同時使計數(shù)器開始計數(shù) VCO 的頻率，在時間差檢測回路中，計數(shù)終了信號 N/f 與超聲波在介質(zhì)中傳播時間進 行比較，時間差信號被變換成電壓后去調(diào)節(jié) VCO 。 圖 8 鎖 相 回 路 工 作 原 理 自 動 增 益 控制 利用自動增益放大控制電路，在每次測量結(jié)束 后，根據(jù)接收信號的強度自動調(diào)節(jié)接收機增益。如圖 9 所示，通常以 L 電平來檢測時間（見實線部分 ）， 在稍許高的電平上預(yù)設(shè) H 電平，當(dāng)波形變化時（見虛線部分 ）， 若繼續(xù)在 L 電平上觸發(fā)，就會引起誤觸發(fā)，產(chǎn)生時 間檢測誤差。 超聲波流量計的修正 流速的修正 在上文討論的時差法超聲波流量計中，我們所提到的流速 v 都是理想狀態(tài)下沿管道 截面平均分布的面平均流速，在實際情況中，由于管道截面上流體 流速的分布不均勻 ， 通過式計算得到的流速 v 并不是要求的 橫截面上的流體平均速度dV ， 它實際上是超聲波信號穿過流體所測得的沿超聲波傳播路徑上的線平均流速，用它進行流量計算勢必會產(chǎn)生誤差，所以要保證測量的精確度則需首先確定dV 與 v 的關(guān)系 ， 也就是利用流體力學(xué)原理加以修正 ， 即在 上面的公式中 加入流量修 正系數(shù) K，即體積流量 Q 為 ： 42dkvQ ??? 式中， K 為 流速分布修正系數(shù)，即管道中流體線平均流速 v 和面平均流速dV 之比 ； 但是由于管道流體流速分布規(guī)律的極其復(fù)雜性，人們對流體流速分布規(guī)律的 研究僅限于理想管道流 , 即光滑層流條件下的流體流速分布規(guī)律和光滑紊流條件 下的流體流速分布規(guī)律 。層流狀態(tài)下的速度分布形式為拋物線狀，而紊流狀態(tài)下流速以管道軸線為中心呈對數(shù)曲線對稱分布，即管道內(nèi)的速度分布趨于平坦，因此紊流狀態(tài)的速度分布比層流狀態(tài)的速度分布均勻蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 15 得多，超聲波流量計也更適合在紊流狀態(tài)流體中應(yīng)用，以減少由于流速分布不均勻帶來的誤差。 CCC ??? sinsinsin 1 10 0 ?? 式中， 0? 為超聲波在聲 楔 中的入射角； 1? 、 ? 為超聲波在管壁、流體中的折射角； 0C 、 1C 、 C 為超聲波在聲楔、管壁、被測流 體中的速度。這樣就可以通過修正后的 C 對 ? 進行修正了。如圖 11所示： 圖 11 換 能 器 的 不 同 安 裝 位 置 平行安裝的超聲波換能器位于管道軸線上，理論上講，聲波在管道的徑向穿過流體截面的 次數(shù)越多，其測量準確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會嚴重擾亂流場的分布，另一方面其測量的流體流速不具有 整個流束截面 的代表性，所以是不可取的； Z 型安裝的聲傳播路程較短，傳播時間不易測量 ，會 限制流量計在小管徑上的應(yīng)用；而 V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴大聲程 ，是現(xiàn)在國際上流行的兩種換能器安裝在同一側(cè)的設(shè)計。 圖 12 基 本 聲 學(xué) 原 理 圖 測時原理 由第二章第四節(jié)的分析， 時差法超聲波流量計的精度與所檢測到的傳播時間的準確度有關(guān) , 采用可靠的傳播時間測量方法是確保時差法超聲波流量測量的關(guān)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 20 鍵問題 。 多脈沖測量方法是進入九十年代以來 ， 國外生產(chǎn)廠家首先采用的一種測時方 法，美國康創(chuàng)公司推出的 UNIFLOW 流量 計以及最近我國深圳晨光科技實業(yè)有限公司在引進德國技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計的 ZCL15系列時差法流量計均采用了多脈沖法，但多脈沖僅僅作為一個術(shù)語出現(xiàn)在產(chǎn)品介紹，或在產(chǎn)品說明書中一帶而過。 超聲波順流傳播被接收探頭 T 2接收并轉(zhuǎn)換為電信號 ，接收的電信號經(jīng)放大、整形處理后又代替觸發(fā)信號去觸發(fā)換能器 T 1第二次發(fā)射超蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 21 聲波，如此重復(fù)上述的超聲波發(fā)射、接收過程，就形成了自激的順流超聲波聲循環(huán)。如圖 13所示，設(shè)脈沖周期為 T，電路延遲時間為ε ， 計數(shù)器 引起的時間誤 差為 ? ， 隨機噪聲引起的誤差為 ? （滿足正態(tài)分布 ）； 理想情況下一個脈沖由發(fā)射到接收的時間為 t 真 ；而實際中單脈沖由發(fā)射到接收的時間為 t ， 多脈沖由發(fā)射到接收的時間為 ,t ，對于多脈沖每個脈沖到達的時刻為 t i ， 則 每個脈沖由發(fā)射到接收 的時間為 it, （ i=1,2,3, ?， n ）， 那么： 對于單脈沖： ??? ???? 真tt （ 3 — 14） 對于多脈沖： 1111 ??? ???? 真tt Ttt ????? 2222 ???真 （ 3 — 15） Ttt 23333 ????? ???真 M )1(n ?????? ntt nnn ???真 由波形可知 ， 2,t 與 t 之間只差一個脈沖周期的時間（這么假設(shè)超聲波在傳播過程中波形不變 ）， 同理， it, 與 it 只差（ i1 ） T 的時間，則可得到下式 1111, ??? ???? 真tt 2222, ??? ???? 真tt 3333, ??? ???? 真tt （ 3 — 16） M nnn tt ??? ???? n, 真 上式表示脈沖串中每個脈沖激勵換能器發(fā)射超聲波到接收的時間，那么對于脈沖 串送給單片機做數(shù)據(jù)處理的傳播時間可用這 n 個脈沖的傳播時間的平均值表示： ??????????????????????????????????????niiniiniiniiniiiinnnnnnnnmnAAAntntAtttt11111n12121n21,3,2,1,111???????????????真真 而對于任意一個單 脈沖： ??? ???? 真tt ， t 與 t ， 相比，只是誤差項不同，多脈沖誤差為 n 項求和取平均值，從數(shù)理統(tǒng)計的理論可知，測量值 t ， 要明顯優(yōu)越于 t ，所以多脈沖法相對其他方法有其優(yōu)越性，能減小誤差從而保證傳播蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 23 時間的精度。這里大致介紹一下系統(tǒng)的工作過程：單片機 主單片機 LED 鍵盤 時鐘 數(shù)據(jù)存儲器 切換開 關(guān) 接收電路 發(fā)射電路 信號調(diào)理 計數(shù)電路 V 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 24 收到 鍵盤 發(fā)出的測量命令后產(chǎn)生一定的波形，先對計數(shù)器清零，接著同步啟動發(fā)射電路觸發(fā)超聲波換能器發(fā)射超聲波脈沖，同時使計數(shù)電路開始對高頻方波進行計數(shù)，在接收端接收到脈沖信號后一部分返回發(fā)射端代替同步信號觸發(fā)發(fā)射電路再次發(fā)射超聲波，另一部分進入分頻電路進行分頻，如此反復(fù)形成順流發(fā)射的多脈沖聲循環(huán)。 第 四 章 時 差 法 超 聲 波 流 量 計 的 硬 件 設(shè) 計 超聲波換能器的選擇 超聲波換能器 （以下簡稱探頭）是超聲波流量計的重要組成部分，是利用超 聲波技術(shù)進行流量測量的關(guān)鍵，它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng)的性能和可靠 度。 2. 入射角：這個角度決定了超聲波換能器的安裝位置。 綜合以上因素，在本設(shè)計中，我們選用中心頻率為 1MHz 的探頭，入射角 為450 。 從早先國內(nèi)進口的日本超聲波流量計來看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動電路。諧振電路能夠使用較低的電壓產(chǎn)生較強的超聲波發(fā)射，適合使用電池供電的系統(tǒng)，而且它能精確地控制 發(fā)射信號，效率高。為了實現(xiàn)高精度的測量， 在信號到達檢測電路前必須使信號穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號的實際情況，我們對 所設(shè)計的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動控制增益電路、電 壓 比較電路等部分組成 。超聲 波換能器的阻抗很大，一般在 10 6 Ω以上 ， 普通的放大器很難與之匹配，只有 MOS 結(jié)構(gòu)的放大器才有那么高的輸入阻抗。為使放大后信號的幅值保持在同一數(shù)量級，要選用自動增益放大電路來放大信號。 AD603 是 一個低噪、 90MHz 帶寬增益可調(diào)的集成運放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/μ s 。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（ VINP）的信號經(jīng)衰減后， 由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。其衰減的程度受當(dāng) VG 的控制。 在這里，我們在 AD603 的腳 7 和腳 5 接了一個電阻 Ω的電阻，這樣蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 29 增益的變化范圍為 40VG，且信號的帶寬大于 90MHz 。 2) 濾波電路 在超聲波接收信號中，往往會摻雜一些干擾信號，在電路設(shè)計中，應(yīng)盡可能 將這些干擾信號除去。 3) 接收范圍門 由于發(fā)射信號功率較大，發(fā)射信號通過電路和聲路都