【文章內(nèi)容簡介】 的時差法超聲波流量計要求具有測量精度高、操作簡便、 安裝調(diào)試簡單、成本低及可靠性高等特點。 換能器的安裝 對于時差法超聲波流量計來說，超聲換能器在管道上的安裝位置通常有三種不同形式：平行式、Z 型、V型。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(zhǔn)確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會嚴(yán)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。 所以，在本設(shè)計中，我們的換能器將采用單通道（即只采用一對探頭）V 字型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量的干擾。 測量原理 如第二章第三節(jié)所述，當(dāng)管道中以速度V流動時，超聲波信號在流體中的順、逆流傳播時間分別為tt2，那么對于V型安裝有： （3—1） （3—2） （3—3） （3—4） 但是，由式（34）我們可以看到流體的流速v與超聲波速度C有關(guān)，而C又受溫度、水深等物理參數(shù)的影響，如果直接利用式（34）進行流量計算勢必會造成比較大的誤差，因此，可以采用改進型時差法，利用數(shù)學(xué)變換將影響測量精度的超聲波速度C剔除。由式（31）、（32）可知： （3—5） （3—6） 式（35）、（36）相減可得： （3—7） 式（37）與（34）相比，消掉了超聲波速度C這一項，因此，改進后的時差法公式消除了C對測量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測量精度。 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(zhǔn)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)鍵問題。 由式（37）可以看出： 由數(shù)學(xué)知識我們可以知道： （3—9） 由式（39）可以看出，k 越小，v 對時間參量要求的精度就越大，也就是說管徑越小就越難以測量。根據(jù)課題的要求以及計算的方便我們所測管徑的最小值為d=；假設(shè)此時超聲波在靜止的水中的速度為1450m/s；發(fā)射角θ為 450。當(dāng)流體流速為V=1m/s時：t1=,t2=， 也就是說超聲波順逆流發(fā)射的傳播時間差僅為95ns左右，如果要求系統(tǒng)測量精度為 1％，則測量分辨率至少應(yīng)達到1ns，那么就需要采用1000MHz的時鐘脈沖計數(shù)來計時，并且相應(yīng)的要提高各種門電路開關(guān)速度，在現(xiàn)今電子技術(shù)發(fā)展情況下，這樣高的頻率時鐘電路和計數(shù)電路都難以實現(xiàn)，可見極力去精確測量單個納秒級的時差是不現(xiàn)實的，為了解決這個難題，我們采用多脈沖法作為本課題的測時方法。 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。我們通過對以往人們常用的超聲波測時方法的分析，結(jié)合微處理器的特點，對超聲波時差流量測量的多脈沖測量方法進行了較深入的研究。多脈沖測量方法不僅能有效的濾除干擾信號獲得可靠的超聲波傳播時間，而且能在流量測量過程中結(jié)合多脈沖測量方法的特點，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計等相關(guān)理論對測量時差做出了合理估計，從而確保了流量測量的精度。 所謂多脈沖測量方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程，對某一物理量進行測量的方法其工作示意圖見圖13，首先使一個超聲波換能器T 1作為發(fā)射探頭，另一個換能器作接收探頭，如圖13（a）所示，然后將觸發(fā)信號施加在發(fā)射探頭T 1上使其發(fā)射超聲波。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)。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)所需的時間為t s，它包含N次固有延遲時間，（i＝1，2，3…N）之和以及N個超聲波在水中單次順流傳播時間t 1之和，即： （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)后所需的時間tn包含N次固有延遲之和以及N個超聲波在水中單次逆流傳播時間t2之和，即： （3—11） 當(dāng)圖(a)和圖(b)中的發(fā)射電路、放大電路等采用完全相同的電路而且超聲波換能器的發(fā)射接收性能穩(wěn)定一致時，只要N足夠大，由于統(tǒng)計效應(yīng)的出現(xiàn)，上述兩次聲循環(huán)的延時總和是相等的，即： （3—12） 于是： （3—13） 由式（313）可看出時間差不用再去測量難以準(zhǔn)確計量的微小時間t1 、t2，而是改測相對足夠大的時間 、。應(yīng)用這種多脈沖聲循環(huán)法對微小時間進行累積后，現(xiàn)有的電子線路可以非常容易的對、 進行的側(cè)量，時間差的準(zhǔn)確測量就變得容易。 下面從數(shù)理統(tǒng)計上對單脈沖和多脈沖方法進行分析比較，說明多脈沖的優(yōu)越性。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，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（i=1,2,3,…，n），那么： 對于單脈沖： （3—14） 對于多脈沖： （3—15） 由波形可知，與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，與只差（i1）T的時間，則可得到下式 （3—16） 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： 而對于任意一個單脈沖：，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時間的精度。 圖14 多脈沖法超聲波接收原理圖 系統(tǒng)硬件框圖 根據(jù)時差法測量的基本原理和時差信號小的特點，本課題研究的時差法超聲波流量計主要由兩部分組成：時差信號采集部分和信號處理及人機接口部分。兩部分均是以89C51為核心，根據(jù)鍵盤發(fā)來的命令，進行相應(yīng)的操作，主要完成超聲波的發(fā)射和接收以及傳播時間的測量，這部分主要由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、順逆流切換電路、電壓比較電路、計數(shù)控制電路等組成；信號處理及人機接口部分也是一單片機89C51為核心，主要負責(zé)對整個系統(tǒng)的控制、流量的計算還有人機接口服務(wù)，包括鍵盤、LED顯示、數(shù)據(jù)存儲等。其系統(tǒng)框圖如圖15所示：發(fā)射電路 LED 主單片機 鍵盤時鐘 切換開關(guān)數(shù)據(jù)存儲器接收電路信號調(diào)理計數(shù)電路 V 圖15 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 具體電路將在下一章詳細介紹。這里大致介紹一下系統(tǒng)的工作過程：單片機收到鍵盤發(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)。當(dāng)完成所定的多脈沖個數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個信號，關(guān)斷高頻方波，使計數(shù)器停止計數(shù)。這個過程可以得到順流傳播的傳播時間，用同樣的方法可以得到逆流方向傳播的時間，并通過并行口送到單片機上。單片機收到順逆流的傳播時間計數(shù)值后，采用數(shù)字濾波技術(shù)對這些時間信號進行濾波處理，并根據(jù)實際情況計算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲器中，并送到LED上顯示出來。 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。探頭的種類很多，性能各異，因此需要根據(jù)實際情況，合理的選擇：1. 頻率：超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播，用于水流量測量 時，～2MHz。超聲波的頻率越高，聲束擴散角小，能量越集中，方向性越好，分辨率也越好。按理說為提高計時精度，應(yīng)當(dāng)選高頻率的探頭；但是對于同一材料來說，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，而且也會增加電路設(shè)計的困難。2. 入射角：這個角度決定了超聲波換能器的安裝位置。由于超聲波入射時在 管壁及流體界面處都會發(fā)生折射，會轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播，為提高探頭接收信號的選擇性，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。若管道為鋼管，探頭用有機玻璃作為聲導(dǎo)。3. 發(fā)射強度：由于噪聲的影響，接收換能器接收到的信號一般要求在幾十毫伏以上，超聲波發(fā)射的強度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強度也越大，削弱聲吸收的影響，所以，要使接收換能器能夠可靠地工作，發(fā)射探頭必須要能發(fā)射出足夠的能量，以便接收探頭分辨處理超聲波首波，提高測量精度。 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。 超聲波發(fā)射和接收電路 在本設(shè)計中，我們設(shè)計的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個，通過繼電器進行順、逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣做既降低了成本，又消除了非對稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過使用單獨的繼電器分別對發(fā)射和接收換能器進行控制，使換能器的發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號對接收的影響。 接收信號的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號,由于使用收發(fā)共 用型超聲換能器，所以除了選用性能優(yōu)良的超聲波傳感器外，發(fā)射電路和前級信 號接收電路至關(guān)重要，它決定著整個系統(tǒng)的靈敏度和精度。 超聲波測量最常用的換能器發(fā)射電路大體可分為三種類型：窄脈沖觸發(fā)的寬帶激勵電路、調(diào)制脈沖諧振電路和單脈沖發(fā)射電路。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。這種電路在設(shè)計上一般是用一個極快速的電子開關(guān)通過對儲能元件的放電來實現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘管或大功率場效應(yīng)管（MOSFET）。由于需要輸出激勵信號的瞬時功率大，因此開關(guān)器件必須由直流高壓供電，一般要達到幾十到一百伏以上，這在電池供電的系統(tǒng)中無法實現(xiàn)；此外，開關(guān)瞬間會產(chǎn)生高壓脈沖，對整個電路的抗干擾設(shè)計不利。而脈沖諧振電路設(shè)計起來比較簡單，其基本方法是用振蕩電路產(chǎn)生一個高頻振蕩，經(jīng)過幅值和功率放