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A (973)编号： 毕业设计外文翻译 （译文） 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 韦 国 潇 学 号： 1200120305 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 王 红 职 称： 副 教 授 2016 年 06 月 03 日 超声波密封容器液位测量的仪器开发 摘 要 超声波在液位测量领域是一种高效的方法。超声波传播过程中，在两种不同的介质的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。超声波的这种特性应用于密封容器的液位测量和基于程序软件开发的仪表系统。首先，系统的结构和工作原理的实现；随后的发射和接收电路设计；在此之后，此软件被二次开发的数据采集卡改进；最后改进的仪器被应用于客运列车的空调压缩机的液位测量中。开发工具提供了一个对 于密封容器的液位测量的有效方法。由于这种仪器是模块化结构，它可以很容易应用于其他相关领域。 关键词 ：超声波；液位测量；发射和接受回路；二次开发 介 在中国用于客运列车的空调压缩机通常是一个密封的容器，它发生故障可能是由于机械故障、电气故障或其他类型的故障。但维修车间的反馈表明，其大部分的故障发生，是由于容器内的冷冻机油减少到水平定线以下 1。所以保持它的液面高度足以确保空调正常运行很重要的。本文采用超声波检测方法来实现液位测量。传统的超声波测试系统的诊断结论通常是由观察回声波探伤仪的 示 。为了进一步分析回波信号，得出更准确的结论，开发出了基于一种编程软件的仪器。信号数据不仅可以在屏幕上显示，而且能进行存储以进一步分析，提高了测量的可靠性。 如图 1 所示 ，该 仪器主要由一个换能器 ， 发射 与 接收电路 ， 数据采集 ） 和一个笔记本电脑。发射电路 产生 高压电子脉冲 作用 在超声换能器激发 其 发射超声波。回波 被 接收电路 和 采集卡 放大并接收 。分析这些获得的数据 ，并 在计算机 应用 程序中执行 2。 图 1 系统结构框图 超声换能器是一种可逆的 部件 。它 的工作原理基于 压电效应 ，压电效应 包括 正压电效应 和 逆压电效 应 34。超声波 的 发射 原理根据 逆向效应 ， 回波信号的接收 则遵循正压电效应 。压电效应的原理 如 图 2 所示 。如果它的电极加 上电压， 压电晶体将 发生 振动 ，厚度 变化 方向根据电压的正 极 或负 极 。这 对 工件 的 振动 最终导致 材料的粒子振动 ， 因此超声波 得以 传播。接收回波信号 则 是一个 完全 相反的过程。反射波 引起 压电晶体的振动 ，然后压电晶体的振动所产生的电信号 被 放大和 接收 。电声转换 由发射 电路 完成 。 图 2 压电效应 在超声波传播的过程中，它会在不同媒介的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。由于气 体的声阻抗（ 03kg/m2完全不同与石油（ 288103kg/m2钢气界面的反射声强度和钢液界面不同，特别是经过多次反射后 1。因此通过分析反射回波，就可确定液位。 被 控制脉冲 触发后， 发射电路产生大范围窄脉冲激励换能器发射超声波。 发射 电路需要 的 高电压 由 一个较大电容器和一个场效应晶体管 （ 提供 。发射电路的工作原理 如图 3 所示 。当 G（ 门 极）处于 高 电 平 ， D（漏极） 和 S（ 源 极） 将 导通， 电容器放电。由于 电容器 电荷不能突变 ， 故 将 产 生高压负脉冲 ，晶体会因受到此 负脉冲 的激发发出超声波 。 、 图 3 发射电路的工作原理 回波信号在 压电晶体 被 转换成电信号 后， 被接收电路 接收 。虽然使用集成运算放大器 来设计 接收电路很容易 ，但其 输 出效果 不 佳 的 ， 因为被放大 后 的信号微弱 ， 频带 也宽 。所以在本文中 ， 使用分立元件 （三级复合管）实现 第二级放大。 通过 这两级放大后 ， 信号另外 再 由集成运算放大器 大。从测试结果看 ，改进后的 接收电路性能稳定 ，信号 放大达到 60 分贝。接收电路的原理图 如 图 4 所示 。 图 4 接收电路的原理图 仪器的硬件结构 有 以下 特 性： （ 1） 它 造价并不 昂贵。硬件主要由传感器 ，发射 和接收电路 ，数据 采集卡和一个笔记本电脑 组成 。模拟信号是 通过 采集卡转换成数字信号 ， 通过平行端口与计算机通信。 （ 2） 由于其供电模式 ，此 仪器 也 可以 完成户外工作 。采集卡和传输接收电路的电源是由铅蓄电池 提供的， 笔记本电脑 也 都自己的充电电源 ，因此 仪器可以 在 没有商 用电源的 情况 下工作 。 （ 3）此 系统可以集成 为一个 便携式仪器 ， 很多分析可以通过开发软件 完成 。 数据 采集卡通过并行端口与计算机 进行 通信 ， 由多路 转接器， 放大器 ， 采样 保持器，模数转换器 等 组成 。软件首先初始化端口基地址。采集卡的缓冲区 与 内存连接 着 数据 的采集和存储 5。采集卡的驱动程序实现控制采集卡和计算机之间的通信。数据采集的结构 如 图 5 所示 。 图 5 数据采集的结构 采集卡 二次开发的主要任务是开发 友好 用户界面 的 应用程序。 动态链接库 ）在应用程序 中用以 驱动硬件卡 ，它能 获取内存中的数据并 将其 显示在计算机屏幕上。通过采集卡的二次开发 的 应用程序 ， 可以自动完成数据采集和一些特殊的分析功能。测试时 ，该 仪器不仅可以获得 原始 数据 ，而且还能给出 回波信号的实时分析和 换能 器 与 液位之间相对位置 的 结 果 。因此液位测量是容易 并且是 自动 完成的 。 仪器软件 随着 适用于 测量组件提供了 在 使用 的 件。这些控件包括接口控制、数据分析和信号处理功能 ， 数据采集和仪器控制 的 I / O 库等等。这些控件的使用扩展 了 使它 成为 更容易开发 的 软件。图 6 是数据采集部分的用户界面。 图 6 数据采集组件图 使用 集卡二次开发的主要步骤如下 ： （ 1） 在 态链接库） 驱动硬件和设置全局参数和 端口 基地址 。 （ 2） 开发 能 实现数字示波器功能 的 数据采集程序。这个模块可以存储信号并将其显示在计算机的屏幕上 ，此外 它 还 有一些数据处理的函数。 （ 3） 编程出 信号分析和处理的功能。这些函数 可以按 要求 进行编程， 可以分析实时和 历史 信号。 （ 4） 设计文件管理和数据维护模块。这个模块包括报告生成和打印部分 ， 数据存储部分和测量记录数据库。 （ 5） 将 开发项 目打包成一个安装程序。 总之 ， 仪器 的 开发软件具有以下优点 ： 1） 可以实现数字示波器的功能 ； 2） 具有友好的用户界面 ， 很容易地操作 ； 3） 它可以分析实时和 历史 数据 ， 显示传感器和液位之间的相对位置 ； 3） 它以 式存储测试数据 ， 自动生成测试报告 ； 4） 它是由几个独立的模块 ， 可以很 方便应用于 其他相关领域。 直接接触测量方法不适合压缩机密封条件下的液位测量。因此需采用应用超声波的非接触测量方法。超声波传播过程中，会在两种不同介质的界面发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对 声阻抗。钢汽接口的多次反射回声的振幅远高于钢液接口的。所以当上下移动换能器时，通过对回波信号的实时分析可观察到液位高度，图 7（ a）显示了传感器的位置。图 7（ b） 是一个非密闭压缩机容器。 （ a） 传感器的放置 （ b） 非密闭压 缩机容器 图 7 传感器的放置和传感器压缩机 为了提高测量的精度，其采用如图 8 所示的交叉换能器。这是一种线聚焦；焦距为5 毫米，这和容器的壁厚相同。换能器的型号是 12 感器是固定在一个 可以沿容器的壁上下运动的移动装置上。测量的工作人员固定传感器显示其高度；同时仪器分析实时获得的信号，并显示传感器和液位之间的位置，采用这种方法完成测量。下面的图 9 显示了上液面和下液面的回波。 图 8 超声波传感器 图 9（ a） 下液面的回波 （ b） 上液面的回波 论 针对空调压缩机的密封容器液位测量 ， 介绍了一种可行的测 量 方法和 开发 基于超声波测 量 系 统的软件 。使用笔记本电脑 作为仪器 工具 的一部分 在一定程度上提高 了 超声检测的自动化水平。开发工具可以获得超声信号 并能进行 实时和事后分析 。友好的用户界面使其 便于 操作 ， 仪器的模块化结构使它可 方便应用 到其他相关领域。 超声波仪连续测量中子快增殖反应堆 的 钠含量 摘 要 超声波液位测量系统能 连续 读出 3 到 180 英寸 的数值，还能 在 500F 液态钠 中 进行测试。 该 系统 精 确 ， 可靠 ，没有 初始预热期 也不用经历漫长的 漂移 期 。 通过 修改可以 使当前的操作温度 提高到 1200F 以上 。 论 超声波液位测量系统能够连续 检测 液态钠 的 钠 液位， 是用来测量 在由（ 放式容器外燃料 传输机 /闭环 装卸机（ 冷墙排热 中的 钠 液位， 并在复合 应堆组件 运动 设 备中测试钠含量 。 测量系统利用传感器和 改良的 电子元件开发 将其应用于 钠 监察 项目。系统的精确等级定为 相当于如果钠维持在 475F 时，表示液位 校准测试水平 92 到 96英寸 的读数 。 系统温度变化在 300F 到 500F 之间， 同时 还 保持一个 恒定的 钠 液位高度，说明 了 精度和 温度 存在 线性 关系，而且总是保持 在实际高度 2%以内 。因此 ， 电子温度补偿 将 为昼夜温差大的环境 提供 更高的液位 测量精度。系统 可以 在 3 到 180 英寸 的 范围准确运作， 测试结果表明 其能 测量 的最小距离范围为 50 英尺。 这个系统 除了 已经证明 可 应用 外， 还有许多其他潜在有用的应用程序 ， 精确读出钠液位 的连续数 值是可行的，更 是必要的。这些测量包括冷却反应堆 容器中的 液态金属 ，钠存储容器、泵 箱 、溢出 堆， 组件清洗和存储容器 ，钠 湿 箱 和许多特殊的液态钠金属 的试验设施。由于传感器是包裹在不锈钢 内，因此 在其他很多类型的液体 内也能进行液位测量。目前 ，它的 工作温度上限 为 550F， 但 已发明的 高温传感器 （ 如 1200F 以上） 将允许 它 整个 围可靠操作。 介 液态金属冷却反应堆和测试系统需要准确可靠的 液位 测量 ， 以确保反应堆和热传输系统 的合理 操作 范围 。所需的测 量范围相差很大 ， 从几英寸到 50 英尺 以上 。 容器外燃料 传输机 /闭环 装卸机（ 在 （ 的 冷墙排热实验需要测量钠 液位。以 防止在测试区溢出或丧失 任何 封闭燃料包 的 冷却剂。为了满足这种需求 ， 研制了 能 使用 于 高昼夜 温差的 超声波液位测量装置 ，为了 目用兼容钠的 超声波换能器和 改良的 电子开发 了 试验结果表明 ， 超声波液位传感器不仅 满足了 测试要求 ，而且它的 测量精度 s 远 大于其他类型的 液位 传感器 ， 如感应探头类型。此外 ， 因为测量是基于一个众所周知的物理量 ， 例如超声波在液体钠 中的 传播速度 ， 更 高的精度有望 从改进 附加 系统 获得 。 这份报告总结了 液位 传感器 的改进 测试 ， 介绍了钠和水 液位测量 的结果 ， 并建议其他 用于 改善设备的方法 。 论 钠 作为 液态金属冷却剂用于中子快增殖反应堆 （ 把热量从 核反应 核心 转移 。有必要 了解 反应堆容器 和 许多相关的 容器中的 液态钠 的 准确 液位高度， 以确保 合理操作 ， 监测泄漏 ， 确 保容器不发生 溢出。 由于 钠 可与 许多物质发生反应 ， 它通常 用不锈钢管件密封起来 。因此 液位 测量方法必须使用传感器远程 探测 不锈钢封闭 的内部 。如果传感器 要想 浸 入 钠 中， 它必须能 在 恶劣的环境 正常运行， 在大多 数情况下 ，要能在 4002000F 的高温下正常工作 。 测量钠 液位 仪器的参考设计 电感 型液位测量 。基于这一原 理 的将被用于测量建造在华盛顿 ， 里奇兰 ， 简约能源研究和发展管理 中的 钠含量快速通量测试设备（ 。感应探头的测量不确定 度 大约为全长 的 5%，约为 使用 针测试 20 英寸 的距离产生 1 英寸的 误差 。 设备的改良正在进行，要将其 精度 提高到 为 2%。如果需要更长 的测量时间 范围 ，并要在长时间测量中能承受 更大的不确定性 ， 必须使用的 大量的 探针 来 覆盖 反应物涉及 的范围。例如 ，所需要测量的 钠 总深度为 15 英尺 或由于长时间探测所产生的 9 英寸 长的误差，或 与 连接有 9 个 20 英寸感应探测器 的电子设备和额外探头，这些都是感应探头所需承担的 。 很显然 ， 这样 一个对于 缓慢泄漏系统的检测没有价值。超声波液位传感器 ， 改编自 堆内钠观测（ 端 测距系统 ，在 精度和 测量 范围 方面显示 了出其 优越的性能。超声波钠 液位 传感器 在 液态钠 测量中有 精度 ， 以及 3英尺 到 15 英寸 的测量范围 。然而 ， 液态钠 中 在 15 英尺 处 信号强度和已知的超声波能量衰减 规律 表明 ，该系统 可以 可测量 的更 高的 钠含量 ， 也许 可高达 50 英尺。 这个液位 测量基于在钠 中 已知 的 超声波速度和超声波脉冲 传播 时间。简单 来说，这个液位 传感器由一个 侵 在钠 中贯底式 传感器 ， 向上发出 穿 过液体 的 超声波脉冲信号。当脉冲到达液体 和 气体 交界处时，脉冲 反射到传感器 ，即这个传感器 充当 了 一个接收机和发射机。 液位 是由从传感器和表面传播声脉冲 传播 时间测量。一个相对较小的温度引起的声速 改变 是 可以修正的， 因为在宽的温度范围内 ，在 钠 中 已经 能 相当准确地测量 出声速。 墙试验设施 液位 传感器 的 第一个应用在 壁 中，用来测试（ 克林奇河增值反应堆 中 环 容器外 燃料传送机 （ 和 容器外 燃料传送机排热性能。这个测试需要准确了解钠 的液位，以 防止在测试区 发生 溢出或 在这个 封闭 区域内 燃料棒束的任何部分 冷却 剂剂量减少 。 提供 包括 在 特殊测试设备 内 两个超声波传感器 用来开展 这些测试 （ 图 1） 。 图 1 安装在 量装配的液位传感器 因为钠温度有时会达到 1300F， 而目前的超声波传感器的最大操作温度为 550F，所以需要用到 舷外测量技术。 为了 保 证 传感器的温度低于华氏 550 度 ， 3/4 英寸不锈钢管道建于 与 热 测试 装置 平行处并与其邻近，这样一来， 除了 可以 容易计算由于两者温差 所产生的改变量，管道中钠的液位和 测试 中 钠 液位也 是一样。两个传感器用于感知 液位；位于较低位置的 传感器是用来测量 在流入和排出时 15 英尺 以上的液位，处于较高位置的传感器用来持续监控 高于海拔 接近 12 英寸的钠 液位。（ 见图 1） 。 钠 测试 装置 进行了一系列的测试来 估计 量设备的液位 传感器。测试装置 图 如图 2 所示 ， 是为了模拟 置 ，它 由一个装配 3/4 英寸直径的不锈钢管 ， 15英尺的垂直测试部分 组成 。 图 2 钠测试 的 测 试配置 一个溢流管连接到顶部的测试区 （ 180 英寸 ）， 也通过在 120 英寸 处的 旁通阀。 与 测试部分连接 的 耐热玻璃观察孔 ， 通过查看钠和与 对比 玻璃 上 每隔 米的 校准标志 ，可以使液位 传感器的校准范围 在 92寸 之间 。从手套 加压罐 的开始 测试区充满了 钠 。 通过 打开连接管罐和测试部分之间的阀 ，以 增加气体压力罐 ，来提高在测试部分钠的液位 。 要 降低钠 的液位，则需 降低气体压力 ，并 通过打开阀门 让 钠流回罐。所有管道加热和绝缘测试区 都采用热电偶 检测。 一个接头套管接头确保在测试区底部的 传感器的接头套管 和 通过 钠所在的管道范围 内声脉冲向上传播 。 这个 传感器 用一个接头与电子模块相连接 。 对 此工具测试展示了超声波液位传感器的出色性能。 第一个 估计 试验确定 了在 92 英寸恒定液面 处， 传感器读数 随 温度 的 变化。温度变化 范围 从 300F 到 500F， 而钠 液位 观 在 察窗 测量时始终 维持在一个恒定 值 92 英寸。 在200F 的温度 范围 内， 总测量变化 量 仅为 2%。 测试 的结果绘制在图 3 中 ，它表明在 这一范围温度 内，产生的变化是线性的。 图 3 钠 温度在 92”时读数的变化 通过数据点绘制 的 直线是 在 钠 中的 逆声速与 速度的比 。因为 液位 传感器 的 读数随温度 的 变 化是线性的 ， 在特定温度下可以获得真正的 液位高度 。 为了获取 准确的数据 需要达到一个平衡温度 ，而这是相当 困难的 ，这就是图 3 中数据点分散的原因 。 第二个测试 在常温下进行 。在 475F 时，液位变化如图 4 所示， 钠 液位 测量观察窗的数显指示 图 。通过控制 钠罐内密闭 气力和钠 供给 阀 ， 钠 液位发生变化 。使用玻璃上 度 标志 ，通过 观察孔 读出液位高度 。传感器位置总的 不确定度大约 估计 为 寸。传感器读数的最大偏差水平在 9296 英寸可见范围内 ，而 观察孔 的则 是 寸。 图 4 在 475F 温度下窥镜中数字读数与钠的 液位的比 第三个测试是系统 对 外部振动的敏感 度的 简单评估。在这个测试中 ， 测试部分 先 是轻 轻地拍，而后慢慢加大力度，最后用力地敲击 。接收到的信号由一个示波器监视 ， 在这个测试 中信号 显示没有变化。因此 ， 正常外部振动源预计不会 干扰到 传感器的操作。 第四个测试 为了 评估 液位 传感器的 测量 范围。钠 液位 多次升高和降低 以 确认传感器连续检测钠 液位 上升或下降的能力。关闭在 120 英寸 处的 阀门 ， 钠 液位 可能增加到 180英寸 并会发生溢出 。在 180 英寸返回脉冲信噪比 为 20如 监控示波器上 显示的，它 可以测量 比这更高的液位 。据估计 ， 这些测试 所 使用 2 能器 可测量钠液位 大于 50 英尺。传感器 测量液位 的下限 ， 最低 液位为 寸 ，此时传感器可将返回脉冲可与信号的噪声区分开来。 通过调整传感器 /电子系统 ，它 可以测量不到一寸的 液位 。 我们通过 长期测试来确定 经过 长时间操作液态钠是否影响传感器的精度水平。测试的环境条件很糟， 因为钠是静态的 ， 钠接触到不锈钢管表面 很容易在其表明形成氧化物 。厚重 的氧化层可能分散声音 阻碍液位 检测。在 2000 小时 475F 温度 的连续操作 下液位仍然 恒定 ， 传感器 液位读数 无显著变化。 通过 每天加增加 和减少加 热器功率 ， 观察窗的液位 发生了 轻微 的变化 ， 但是传感器本身没有偏离预期的 读数并维持 一个特定的 液位 。如果温度增加 ， 钠 膨胀其液位 略有增加 ， 但水平传感器 能 显示切实的变化。 在测试 中 产生 了 大部分错误 都是由于 声速 对 温度依赖性 造成的 。即便如此 ，这种误差也 是可 测量 的 ，而且 改进 后的 系统可以提供自动调节系统来补偿温度 所 引起声波速度的变化。 水 测试 在水中的测试证实了测量仪器可以获得优于 寸 的测量精度， 超声波声速 足可以满足高精度的系统 。水测试观察钠系统的发展期间在一个开放的配置 的 大柜 中 进行 ，这样一来 声音不局限于一个钠液位传感器测试管 内 。一个短距离 测试 （ 6 英寸 ）， 反射器和传感器之间的实际距离是 寸 ，表明了 系统 的 精度 （ 忽视频率选择振荡 器的 轻微误差 ）优于 寸。 在 9 又 1/2 英尺长距离 测试 中， 显示系统准确 度在 机械测量误差 1/32 英寸或 范围内。这个 长距离 测试再次忽略了振荡器 的 频率误差。电子系统 在 飞行时间测量 中 估计精度 为 寸。 试 复合反应堆组件测试活动 （ 钠 管道 用于 钠堆内 尺寸 反应堆组件 的示范 。 道 深 尺 ， 直径 为 15 英尺 ， 包含一个全尺寸模拟 心 的 三分 之一。在最 近 观察系统 示范 中， 超声波液位传感的概念在另一个配置 进行 测试 （ 见图 5） 。测距 ”传感器安装在 垂直于 钠表面 的显示器 用来 显示 钠 的液位 。 无侧限 光 束 液位 传感器 的 钠 堆内钠 操作 图 5 钠液位传感能力 示范 虽然 并不知道在 道内 钠 的 实际深度 ，但 深度显示在容器设计深度 的 一英寸 处； 统 能 渗透最深 达 166 英寸。在 管道内 现有 液位 测量技术 的 不 准 确， 排除了使用 试数据的准确性 ， 但是 液位 传感器的测试演示了在不采用导管超声能量配置 中的 使用。这个测试给 出了液位 传感器的多功能性 的评估 。 也许 阻碍 这种类型 液位 传感器 得到 广泛应用最大 的一个 因素是缺乏高温传感器。 在这些测 量中 传感器仅限于低于华氏 550 度 的温度下使用 。然而 ， 利用铌酸锂活性元素 的高温传感器 在 钠 测量中得到使用 。水平传感器的合理 扩展 工作将包括超声波传感器的开发和 液位 传感器 测量 在温度高达 1200F 的 应用。 结论 超声波 液位 传感器 的 全面 测量 表明它 能 在大范围 测量保证精确 度 和 在既定的 测 量条件下 保持 稳定。 由于传感器和 温度 的相关性， 传感器的准确 度 是 传感器的 测量 范围大约 15 英尺 到 3 英寸 ，更有甚者其 测量 液位 从 寸到 50 英尺 以上 。传感器不受振动的影响可以 在测量区内 正常使用 ， 在 2000 小时 内的液位测量中读数显示 并没有 出现 漂移。通 过 电子 补偿 温度变化和改善 校正 方法的准确性 ， 传感器 可以获得更高的精确度 。超声波液位传感器操作 满足 壁测 量要求， 它 的 设计 可 提供一个钠 液位的连续显示。 验表明 ， 传感导管 对于 钠液位 测量来说 是 无 必要的。 超声波液位传感器在精度 和可靠性 最 重要 的 钠环境中 的 应用前景 具有 巨大的潜力。安装传感器其他配置应该 给予示范以 增加传感器的多功能性 ， 发展高温传感器 对在 温度高达 1200F 的 液态金属快中子增殖反应堆 （ 能给出 连续准确 的液位显示 是至关重要的。液位 传感器 测试 应该在 钠箱 和 钠的大管道中进行， 确定最佳配置监测 管内钠 液位以及确保 没有底部缝隙。 无线自供电超声波流量传感器系统的研究 摘 要 本文中，无线自供电超声波流量传感器系统用系统的方法对其进行设计和开发。通过使用小型水力发电机作为商用低功耗微控制器，能量采集电路，和 射 器的电源，传感器能够在水管道网络内检测水流。这个传感器系统的主要特点在于它的电源管理单元，它能够从安装在水管道小型水力发电机给电池充电。它允许传感器在大范围地区内作为遥感通用无线采集设备维持运作，而之前这种情况下电力运行设备始终是一个问题。本文除了描述系统的总体架构，传感器的硬件和软件，还给出了模块在水管道网络的性能报告，强调能源问题以及获得自动维持操作的关键。测试有两个阶段：第一个是在实验室里，在特别严重的情况下来验证管理和解决方案，第二阶段在一个水管道网络中。关于传感器测量所采取的措施证实了硬件和软件提 议的解决方案确实获得良好的成效。 介 随着 市区的不断 扩大， 传统供水管道网络控制操作 ，其 主要是通过 人工 协调 ， 已不再满足当前供水系统的需要。因此 ， 在城市管网 中 加强远程数据采集和监控的能力是整个城市的发展 具有宏大 和深远的意义。为了提高一个城市的供水质量 ， 提高供水系统的运行效率 ，在 城市供水网络 中 使用基于计算机的监控系统和通信技术是一个不可避免的发展趋势。但是 ， 由于供水管道网络的测试点太多 ， 而且分布广泛 距离远， 能源监控系统、布线成本 等 不便因素限制了智能传感器的广泛使用。从周围的空间 获得的 能量 来驱动 这些传感 器和监控系统是一个正在研究的解决方案 1,2。这些 工作覆盖了 灌溉控制系统 ， 天气和环境监测 ， 温室控制、动物识别和健康监测等领域。但 为了 有效地达到永久操作 ，则需要 进一步增强能量收集和更加高效的功率调节方式 3。 解决上述问题，新型自供电无线超声波流量传感器系统已经被设计和用于城市供水管道网络。它由一个能量收集装置（水力发电机），电源管理单元，流量传感器接口，线发射器单元 单片机 成。自供电的无线超声波流量传感器系统的方框图显示在图 1。本文的组织如下：第二部分介绍了电 源的设计管理单元和水力发电机的结构。第三部分研究了 信模块。第四部分研究了单片机和编程模式。第五部分提出了实验和分析。第六节是本文的研究成果。 图 1 自供电无线超声波流量传感器系统的方框图 当考虑 使用 数组流量传感 器作为 总体结构 ， 能源供应系统是一个至关重要的问题。传统但最常用的方法是使用可充电 或不可充电 电池。然而 ， 这些 能量接收器只 可以存储有限的能源 ，它 们的更换和维护 更是 一个严重的瓶颈。一些特殊环境中 还存 在更换电池成本和不便。在本文中 ， 我们 采用了 一个安装在水管 中 特殊结构水力 发电机作为低功耗经济 微控制器 ， 能量采集电路、流量检测单元和 射器 的 电源。 A 能量 获取 我们安装了一个特殊的水力发电机结构 来获取管道中水的 流动能量 4。我们 很了解，这种方法没有 研究过将其用来为 城市供水网络 探测系统中的电子设备 提供 电源 。传统小型水力发电机利用 管道中的 水 的流动能量 发电 ， 作为 控制 阀门 值 或自动控制手垫圈或其他设备 ， 或使用干电池 作为 电力来源产品 的 电力来源 ， 例如 ， 通过电容器充电或蓄电池的产品 。 传统小型水力发电机的结构如下。即一个和水管形成连接和通信的流入端口是外壳的终端，流出端口形成在另一端 。一个发电机外壳内部安放着定子和转子部分。叶轮整体安装在转子，叶轮可随着流入端口的水流旋转。因此，转子旋转使定子产生感应电压和电流，使叶轮旋转的水由流出端口通过一条一段穿过转子中心部分通道排出。 然而，根据如上所述传统的小型水力发电机，由于在水管所有的水应用于叶轮产生是使转子旋转的能量，从定子输出的电压增加水流的量比例，如图 2 所示，即不仅输出的可能不是恒定值的稳定电压，而且当发电机连接到水管流量或高水压力，由于叶轮旋转在比所需的更高速度，支持内侧的叶轮和旋转轴承可能在很短的时间内损坏。 图 2 电压与 流量之比曲线 为了解决它的问题，我们选择一个特殊结构的水力发电机，即使水流的数量大或水压力高时，都获得恒定数值的稳定输出电压，如图 3 所示。 图 3 水力发电机的纵向区域侧视图 它由一端有流入端口另一端有流出端的套管，安放在套管内由叶轮带动旋转的转子和通过转子的旋转来发电的定子组成。从流入端口到流出端口到旋转着中心部分的主要通道和一个从流入端口流到出端口从外部绕过定子的旁道为水流提供从端口流入流出端口的通道。在旁路，安排一个由弹簧阻止来自流入端口方向水流的止回阀。因此，当流入套管入口的水流量很小时，水的 压力低于弹簧的弹力，所有水流量都用来使叶轮旋转，通过主要通道使转子旋转和发电。另一方面，当套管流入端口的水流量很大时，水压也变得高，水压大于弹簧的压力止回阀内部的旁通被打开，水流通过旁路而不用于叶轮的旋转流出排水口，或换句话说，发电。需要防止大水流量或大于需要的水流量流过叶轮。从第二个喷射孔到叶轮的注射压力很低，它和旁道内的流速成反比，这样从第一个喷气孔的总水流量它的水压更高并与水压成正比，从第二个喷气孔注射压力可能几乎不变。因此，不仅叶轮的转速几乎保持不变，叶轮速度不会高于所需要的速度，类似轴承损坏的部分 也可以避免，而且不管流入流入端口的水流量怎么变，定子输出电压几乎不变，这样转子稳定旋转发电，电压也稳定，如图 4 所示。 图 4 电压与流量之比的曲线 B 电源管理单元 一般而言 ， 水力发电机 所 发 的 电是交流电 ， 但真正用于系统设备 是 直流电。所以 ，我们必须将交流电转换为直 流电来 驱动其他单位系统。三种 电源 用于整个系统 ： 5V， 一方面 ， 我们采用了 超大 电容器和蓄电池 作为 备用电源。电源管理 单元模块的 线路图 如 图 5 显示 。 图 5 电源管理 单元模块的 线路图 列 的 监管机构 是 单片集成电路 ， 适合步骤 开关式稳压器 这样 简单和方便的设计。 通过优质 负载线和负载调节 器 它能够 驱动 载 。这个设备可以 用来 12V， 15v 的 固定电压 ， 和一个可调输出 模式 。输出电压和电阻的关系 如下所示： 式中 输出电压 ， 参考电压。 用 大约 1 千欧的电阻 ，使用 精度为 1%的电阻 器可获得 最佳稳定性。 因此 一个低功率 低压差稳压器。 通过用 件 取代正规的 晶体管 ，可获得 压差减少一个数量级和静态电流超过传统的低压差 的 性能。 种规格的 固定电压 模式 和一个可调 模式 。输入电压范围是 1V， 输出电流是 2A。 输 模块 通用分组无线 服务） 的数据传输通常是 按 每兆字节传输 所需的 流量收取 ，而通过传统的电路 开关以 数据通信连接时间 ，按每分钟 收费 ， 实际上 无论 是否使用独立的容量 都是 处于闲置状态。探地雷达是一种最优分组交换服务 ， 而不是电路。切换 可以在非移动用户的连接 时 保证一定的服务质量 5， 6。 线传输和 务技术被用于这个项目。 A 导航系统 数据传 输单元 ） 可以 实时地 利用 线网络和互联网 与 数据服务中心交