【正文】 整形電路及系統(tǒng)控制電路等，并根據(jù)儀器本身的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境研究硬 件抗干擾技術(shù)； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 ④ 設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)儀器進(jìn)行控制和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，在軟件上采取 適宜的抗干擾措施，進(jìn)一步 增強(qiáng)儀器的運(yùn)行穩(wěn)定性； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 第 二 章 時(shí) 差 法 超 聲 波 流 量 計(jì) 的 理 論 研 究 流 量 的 基 本 概 念 單位時(shí)間內(nèi)，流體流過管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量稱為流量。超聲換能器通常都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。此外， 壓電元件的機(jī)械能與它的形狀和振動(dòng)方式有關(guān)。一般可采用單脈沖信號(hào)及連續(xù)脈沖信號(hào)作為換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的主要性能參數(shù)為脈沖寬度與脈沖幅度，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于縮小盲區(qū)，提高探測(cè)精度有重要意義。從 發(fā)射超聲波脈沖起至接收到第一個(gè)波為止的時(shí)間間隔內(nèi)，由于接收門一直敞開著， 外界各種干擾信號(hào)都很容易侵入，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性。如果能引入第二個(gè)波與第三個(gè)波元時(shí)間差的時(shí)間補(bǔ)償，測(cè)得傳播時(shí)間的絕對(duì)值也就不變，待接收波恢復(fù)， 再返回到用 L 電平觸發(fā) 。通過 查閱國(guó)內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)，分析國(guó)內(nèi)外的各種產(chǎn)品，確定實(shí)現(xiàn)具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平 的流量測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的時(shí)差法超聲波流量計(jì)要求具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、 安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、成本低及可靠性高等特點(diǎn) 。應(yīng)用這種多脈沖聲循環(huán)法對(duì)微小時(shí)間進(jìn)行累積后，現(xiàn)有的電子線路可以非常容易的對(duì) st 、 nt 進(jìn)行的側(cè)量，時(shí)間差 t? 的準(zhǔn)確測(cè)量就變得容易。若管道為鋼管，探頭用有機(jī)玻璃作為聲導(dǎo)，一般入射角選取 600 之間。放大電路采用三級(jí)放大 ， 第一級(jí)和第三級(jí)放大采用固定增益放大，完成信號(hào)的基準(zhǔn)放大，第二級(jí)采用具有 程控增益調(diào)整功能的芯片 AD603 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣當(dāng)?shù)谝患?jí)和第三級(jí)確定后，可以通過調(diào)節(jié) AD603 控制端的電壓來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)放大電路的增益，使輸出信號(hào)達(dá)到要求的幅值 。無(wú)源輸入衰減器由一個(gè)可從 0dB 到 變化的衰減器 組成，這個(gè)衰減器與固定增益放大器中的固定增益運(yùn)放相連，由于該衰減器的存在，即使有大的輸入，固定增益運(yùn)放也不會(huì)受到?jīng)_擊，而且還可以與運(yùn)放構(gòu)成負(fù) 反饋確保增益的穩(wěn)定性。 因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為 1MHz，由運(yùn)放和電容等 器件構(gòu)成的有源濾波器 的帶寬一般較窄，通常不適用于高頻范圍，最大在幾百千赫茲，且在這個(gè)頻率附 近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價(jià)又偏高，因此我們決定采用由電 感和電容組成的 LC濾波器 。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增 益放大器、視頻增益控制、 A/D 轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè) 量系統(tǒng) 。單片機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)三極管放大和 變壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動(dòng)換能器超聲超 聲波，這里變壓器的主要用途是升蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載（超聲換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵(lì)方式 。 超聲波的頻率越高，聲束擴(kuò)散角小，能量越集中，方向性越好，分辨 率 也越好。多脈沖測(cè)量方法不僅能有效的濾除干擾信號(hào)獲得可靠的超聲波傳播時(shí)間，而且能在流量測(cè)量過程中結(jié)合多脈沖測(cè)量方法的特點(diǎn)，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)理論對(duì)測(cè)量時(shí)差做出了合理估計(jì)，從而確保了流量測(cè)量的精度 。 然而因?yàn)橐话愎逃胁牧系穆曀僮兓纫后w聲速溫度變化小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在溫度變化不大的條件下對(duì)測(cè)量精確度的影響可以忽略不計(jì)但在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫?fù)Q能器工作溫度范圍 40 ～ 200 ℃）就必須對(duì)聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進(jìn)行修正 。自動(dòng)增益控制電路保證了每次檢測(cè)門檻的精確性 。但是， 在錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，接收的信號(hào)常常伴隨著各種外來(lái)干擾，如流 體介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒和 氣泡等產(chǎn)生的干擾，特別是來(lái)自外界的電磁干擾等，這些 干擾信號(hào)成為準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的主要障礙 。在接收換能器中寬頻帶可獲得窄脈沖、短余振 時(shí)間波形，獲得極高的縱向分辨率 。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個(gè)探頭的性能是不同的，其主要性能指標(biāo)包括： （ 1 ） 工作頻率 f 0 ：大多工作頻率選在換能器的機(jī)械 共振頻率（即壓電晶片的共 振頻率）附近。 超 聲 波 換 能 器 的 結(jié) 構(gòu) 及 原 理 超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電 聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。然而超聲波流量計(jì)本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場(chǎng)合等。憑借其非接觸測(cè)流、儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)、精度高、 測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等自身的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是較好的大管徑流量 測(cè)量?jī)x表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用 。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章緒論 流 量 計(jì) 的 發(fā) 展 概 述 自古以來(lái)測(cè)量都是人類文明的一種標(biāo)志，是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它廣泛存在于水利，化工，農(nóng)業(yè)，石油，冶金以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域之中，一直得到世界各國(guó)政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強(qiáng)。 1931 年， 發(fā)表的德國(guó)專利是關(guān)于利用聲波測(cè)量管道流體流量最早的參考文獻(xiàn)。現(xiàn)有國(guó)有的大多數(shù)超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比外國(guó)的便宜，但總體性能較差；而國(guó)外的超聲波流量計(jì)盡管在精度、性能和操作使用方面都由于國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，但因價(jià)格昂貴，也不可能在工業(yè)界大量使用。 超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計(jì)中的重要組成部分。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出 的能量最大，靈敏度也最高。 為了 提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動(dòng)阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時(shí)，為了保證聲能損失小、方向性強(qiáng)，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機(jī)玻璃制成 。 因此，如何確保超聲測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計(jì)算時(shí)差成為時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的關(guān)鍵，為此 人們常在測(cè)量回路上采取一些措施，常見的方法有 ： 閥 值 法 設(shè)置閥值，當(dāng)接收信號(hào) 高于閾值時(shí)，即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，一般采集信號(hào)的第 2個(gè) 峰值（如圖 7 ）， 然后減去一個(gè)周期，所得結(jié)果為信號(hào)的傳播時(shí)間。 雙 觸 發(fā) 回 路 所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當(dāng)接收波形變化時(shí)，改變觸發(fā)電平，自動(dòng)選擇最佳觸發(fā)電平來(lái)檢測(cè)時(shí)間。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 圖 10 夾 裝 式 超 聲 波 傳 播 途 徑 可得關(guān)系式： )s inarc s in(00 ?? CC? 因?yàn)橹?C0和 0? 為已知量， C 為超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度，是溫度的變量。 所謂多脈沖測(cè)量 方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程 ， 對(duì)某一物理量進(jìn)行測(cè)量的方法其工作示意圖見圖 13， 首先使一個(gè)超聲波換能器 T 1 作為發(fā)射探頭 ， 另一個(gè)換能器作接收探頭 ， 如圖 13（ a ） 所示 ， 然后將觸發(fā)信號(hào)施加在發(fā)射探頭 T 1上使其發(fā)射超聲波 。按理說為提高計(jì)時(shí)精度，應(yīng)當(dāng)選高頻率的探頭 ； 但是對(duì)于同一材料來(lái)說，超聲波在傳播過程中的散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的 4 次方和 2 次方成正比，所以頻率越高，超聲波衰減越大，而且也會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的困難 。 圖 17 超 聲 波 發(fā) 射 電 路 超 聲 波 接 收 電 路 發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過流體傳播到接收換能器，中間有雜 質(zhì)和氣泡等影響，強(qiáng)度不斷減小，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。 AD603 的外部結(jié) 構(gòu)圖如圖 19所示 ： 圖 19 AD603 引腳圖 管腳 1： GPOS 增益控制電壓正相輸入端（加正電壓增大增益 ）； 管腳 2： GNEG 增益控制電壓反相輸入端（加負(fù)電壓增大增益 ）； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 管腳 3： VINP 運(yùn)放輸入端； 管腳 4： COMM 運(yùn)放接地端 管腳 5： FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端； 管腳 6： VENG 負(fù)供電電源端； 管腳 7： VOUT 運(yùn)放輸出端； 管腳 8： VPOS 正供電電源端 圖 20 AD603 結(jié)構(gòu)框圖 AD603 的簡(jiǎn)化原理框圖如圖 20所示，它由無(wú)源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。 圖 21 第 三 級(jí) 放 大 電 路 圖 圖 22 濾波電路 如圖 22所示，由 L、 C 組成并聯(lián)諧振，將諧振頻率設(shè)在 ，由 L C1 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 。增益的調(diào)整 與其自身電壓值無(wú)關(guān)，而僅與其差值 VG 有關(guān)，增益和電壓的換算系數(shù) 25Mv/dB ， 即若 VG 的變化范圍為 1V，增益的變化范圍為 40dB，由于控制電壓 GPOS/GNEG 端 的輸入電阻高達(dá) 50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。 1) 放大電路 通常超聲波換能器接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，只有幾毫伏，而一般 ADC 需要采樣的信號(hào)的幅值為 5V， 所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。由于超聲波入射時(shí)在 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 管壁及流體界面處都會(huì)發(fā)生折射，會(huì)轉(zhuǎn)換成兩束縱 波在流體中傳播，為提高探頭接收信號(hào)的選擇性，一般選擇入射角大于第一臨界面角而小于第二臨界角，以保證僅一束超聲波被探頭接收。在完成 N 次聲循環(huán)后循環(huán)停止，假設(shè)這 N 次順流聲循環(huán)所需的時(shí)間為 t s， 它包含 N 次固有延遲時(shí) 間 )(i? ， （ i ＝ 1 ， 2 ， 3 ? N ）之和以及 N 個(gè)超聲波在水中單次順 流傳播時(shí)間 t 1 之和，即 ： 11 )( NtitNis ???? ? （ 3 — 10） 圖 13 超 聲 波 多 脈 沖 法 示 意 圖 接著使 超聲波換能器 T 2作發(fā)射探頭， T 1作接收探頭，如圖 13b)所示，將觸發(fā)信號(hào)施加 在發(fā)射探頭 T 2 上使之開始發(fā)射超聲波，接收探頭 T 1接收到超聲波后 ，經(jīng)放大、整形處理，觸發(fā) T 2第二次發(fā)射超聲波，這樣就形成了逆流超聲波聲循環(huán) ， 同樣可知超聲波完成 N 次逆流聲循環(huán)后所需的時(shí)間 tn 包含 N 次固有延遲 )(, i?之和以及 N 個(gè)超聲波在水中單次逆流傳播時(shí)間 t2之和，即： 21 , )( NtitNin ???? ? （ 3 — 11） 當(dāng)圖 (a) 和圖 (b) 中的發(fā)射電路、放大電路