（控制理论与控制工程专业论文）高精度网络化超声波热量表的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 在我国建设节约型社会的背景下，供暖收费过渡到按热量计量收费是大势所趋。现 有的热量计量系统主要采用传统的水表技术，存在计量精度低、使用寿命短、待机时间 短以及网络通信能力差等缺点，不能满足热量计量的高精度、高可靠性、及远程控制等 要求。 本文首先对超声波热量表的研究背景及国内外发展现状做了综述性分析，对亟待解 决的关键问题进行了深入分析。 其次，提出了一种基于渡越时间差法的高精度超声热量计量方法，深入系统的分析 了超声波热量表的工作原理及组成结构，研究了渡越时间差法超声波流量测量的原理； 采用电容充放电法实现温度测量，并将流量测量和温度测量统一归结为对时间的精确测 量。选用高精度的计时芯片t d c g p 2 实现了对时间的高精度测量，并选用内置z i g b e e 协议且基于s o c 概念的通讯芯片c c 2 4 3 0 实现自动组网、实时通信及网络管理。 第三，本文提出将无线电信号处理领域中的a g c 回路用于超声波流量测量系统，建 立了a g c 回路的数学模型，提出了基于模型的a g c 回路可变增益和稳定时间的计算方 法，与a g c 的硬件电路设计方法，分析了a g c 回路对超声波流量测量设备计算过程和 性能的影响。通过仿真实验证明本改进方案可以提高系统接收信号的精度。 第四，为了改善系统对回波信号的处理的精确度，本文将u k f 滤波用于超声波流量 测量，提出了使用u k f 滤波算法来处理超声波回波信号，得到回波信号的包络线，并且 将包络模型的参数作为u k f 处理的状态向量。并根据流量测量的特点改进了u k f 滤波 运算过程，给出了u k f 迭代开始及结束的条件。最后通过仿真实验证明u k f 滤波性能 优越及能够快速收敛。 第五，在分析热量计量原理的基础上，采用k 系数法对热量计算过程进行修正，并 分析了误差产生的原因。设计了超声波发射、接收及放大电路，并且针对纳秒级时间测 量，设计了时间数字转换模块，提高了热量表的计量精度。 最后，为了满足超声波热量计量系统长时间独立工作的要求，在系统设计中尽可能 的采用低功耗的器件及线路的低功耗设计方案。在论文最后提出解决功耗问题的新方法， 并给出了尝试性的解决方案。 关键词：超声波热量表，渡越时间差法，a g c 回路，u k f 滤波，z i g b e e 网络 山东建筑大学硕士学位论文 u l t r a s o n i ch e a tm e t e rw i t hh i g ha c c u r a t eb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k x u w e iz h a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp e i y o n gd u a n b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fd e v e l o p i n ge c o n o m ys o c i e t yi no u rc 0 1 l l l l y , t h es y s t e mo f h e a t i n gc h a r g ew i l lg r a d u a l l yt r a n s i tt ot h et h e r m a le n e r g ym e a s u r e m e n tc h a r g e t h ee x i s t i n g c a l o r i m e t e rm a i n l yu s et h em e a s u r i n gt e c h n i c a lo ft h et r a d i t i o n a lw a t e rm e t e r , b e c a u s eo fl o w m e a s u r e m e n ta c c u r a c y , s h o r tl i f ec i r c l e ，s h o r ts t a n d - b yt i m ea n dn on e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ， t h el ( i n do fc a l o r i m e t e rc a n n o ts a t i s f yt h er e q u e s to fa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yt ot h et h e r m a l e n e r g ym e a s u r e m e n ta n dr e m o t ec o n t r o l l i n g a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n do fs t u d y , s i g n i f i c a n c ea n dc u r r e n ts t u d ys i t u a t i o nb o t ha th o m e a n da b r o a da b o u tu l t r a s o n i ch e a tm e t e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h ed i f f i c u l tp r o b l e m su r g e n t l yt o b es o l v e da tp r e s e n ta r ea n a l y z e dd e e p l y a l l i g ha c c u r a c yu l t r a s o n i ch e a tm e t e rb a s e do nt r a n s i tt i m ed i f f e r e n c em e t h o di ss t u d i e d ， a n dt h ef u n c t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni se x t e n d e da l s o t h ew o r kp r i n c i p l ea n d c o m p o s i t i o no fu l t r a s o n i ch e a tm e t e ra r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ；i ta l s or e s e a r c h e sw a t e rf l o w m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e so ft i m ed i f f e r e n tu l t r a s o n i cf l o wa n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ed u r i n gc a p a c i t o rc h a r g ea n dd i s c h a r g ea sw e l la s 廿l e i rr e s p e c t i v em e t h o d so f a c h i e v e m e n t t h et w ok e ym o d u l e so ff l o wm e a s u r e m e n ta n dt e m p e r a t u r et e s to fh e a tm e t e r s a r er e u n i f i e dt ot h ev e r yp r o b l e mo ft i m em e a s u r e m e n t t h eh i g ha c c u r a c yt i m em e a s u r e m e n t i sg a i n e db yh e l po fah i g ha c c u r a c yt i m i n gc h i pt d c - g p 2 ；t h ec o m m u n i c a t i n gc h i pc c 2 4 3 0 b u i l t - i nz i g b e ep r o t o c o la n db a s e dc o n c e p to fs y s t e m o n c h i pi su s e dt or e a l i z en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s t h es y s t e mm a k e sf u l l yu s es e l e c t e dt i m e - c h i pa n dc o m m u n i c a t i o n c h i p ， w h i c hh a sa d v a n t a g e so ff u l if u n c t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a na u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i tu s e di nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r am a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ea g c l o o pi se s t a b l i s h e d ，t h ev a r i a b l eg a i n a n ds e t t l i n gt i m eo ft h ea g cc i r c u i ti sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e db a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dt h e nt h ea g cc i r c u i ti sd e s i g n e d ，t h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n t 山东建筑大学硕士学位论文 c a l c u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e d e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h em e t h o dc a l li m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n ga c c u r a c yo fe c h os i g n a l ，t h ef l o wm e a s u r e m e n t sb a s e d 0 1 1u l t r a s o n i ct i m e - o f - f l i g h te s t i m a t i o ni sd e a l tw i t hi nt h ep a p e r p r o p o s i n gt h eb s eo f u n s c e n t e dk a l m a nf i l t e r ( u k f ) ，a c q u i r i n ge c h os i g n a l e n v e l o p e ，a n dt h e nu s i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ee n v e l o p ea st h ep r o c e s s e ds t a t ev e c t o rt od e a lw i t hu l t r a s o n i ce c h os i g n a l s t h ep a p e ri m p r o v e st h eo p e r a t i o no fu k fp r o c e s sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o w m e a s u r e m e n t , a n dg i v e nt h ec o n d i t i o no fb e g i n n i n ga n de n du k fi t e r a t i o n f i n a l l y , 8 0 m e s t i m u l u si sg i v e nt os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fu k fa n di t sc o n v e r g e n c er a t e ，w h i c ha s s e s s i t sr e l i a b i l i t y , e f f e c t i v e n e s s t h eh e a tc o e f f i c i e n tki sa m e n d e db a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fh e a t m e t e r i n g , a n dt h e nt h ed e v i a t i o no ff l o wm e a s u r e m e n ti sa n a l y z e di nt h i sp a p e r a n dt h e n ，t h e u l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n da m p l i f y i n gc i r c u i ta led e s i g n e d ，a n dt h ed e s i g ns c h e m e o fa d d i n gt h et i m e - t o d i g i t a lc o n v e r t e ri sp u tf o r w a r di no r d e rt oe n h a n c et h ea c c u r a c yo fh e a t i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fl o n gt i m et ow o r ki n d e p e n d e n t l y , t h es e l e c t e dl o wp o w e r c o n s u m p t i o nc h i p sa n dt h ec i r c u i ti sd e s i g n e da sl o wa sp o s s i b l e t h en e w s o l u t i o ni sp r o p o s e d t os o l v et h i sp r o b l e m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ch e a tm e t e r , t r a n s i tt i m ed i f f e r e n c em e t h o d ，a g cc i r c u i t ，u k ff i l t e r , z i g b e en e t w o r k 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果除文中已经注明引甩的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任 学位论文作者签名：避豳聋日期丝f 鱼：! ! ! 了 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者鑫名：錾逊日期迪f 21 查! 1 2 导 师签名： 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超声波热量表的研究背景及发展现状 热量表最早起源于欧洲，德国从1 9 6 4 年开始热量表的首次研制工作。最初的热量表 为机械式，流量测量采用孔板、文丘里管等，7 0 年代后才出现了电子热量表，而电子式 热量表也经历了从模拟积分式、电子数字积分式到以微处理器为基础的智能式的发展过 程。1 9 8 8 年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的热量表标准：o i m l r 7 5 号国际建议热量表【1 1 。直到九十年代，户用热量表基本定型，结构设计趋于致。1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正式通过了统一热量表标准e n l 4 3 4 t 2 1 。 2 0 0 3 年8 月，建设部、国家发展和改革委员会等国务院8 部门印发了关于城镇供 热体制改革试点工作的指导意见【3 1 ，明确了“停止福利供热，谁受益、谁缴费；老百 姓用多少热、交多少费；引入竞争机制和完善社会保障制度，切实保证城镇生活困难家 庭冬季采暖”的基本思路；在北方地区的1 5 个省、自治区和直辖市都成立了供热体制改 革领导小组，以“改革单位统包的用热制度，逐步停止福利供热，实行用热商品化和货 币化，变暗补为明补”为主要内容，以“稳步推进城镇用热商品化，实现供热社会化 为方向的供热体制改革在北方地区拉开帷幕【4 】。2 0 0 6 年7 月5 日，建设部又出台了关 于推进供热计量的实施意见，明确提出了推进供热计量收费的目标和时间表。经过近十 年的改革进程，目前包括政府办公楼在内的既有建筑已基本完成了供热计量改造【4 】，而 新建建筑也都是在热计量设施达到工程建设强制性标准规定的前提下开工建设，在符合 供热计量标准要求的前提下，通过验收并交付使用，城镇供热体制改革已经进入计量设 施量产及安装调试的冲刺阶段。 在城镇供热体制改革取得丰硕成果的基础上，结合供热计量的实践需求和近年来相 关理论的深入研究，建设部发布了城镇建设行业产品标准热量表t s ( c j l 2 8 - - - 2 0 0 7 ) ， 并于2 0 0 8 年4 月1 同起正式实施。 但就目前情况来看，国内研究以及市场销售的热量表大都采用机械式结构，即热量 表的积算仪为数字仪表，而流量测量部分为叶轮流量计或干簧管【6 l 。叶轮带有磁钢，因 此对水质的要求高，微量的铁屑和细沙都会急剧降低测量精度直至在短期内损坏，叶轮 轴承的磨损也对测量有较大的影响。 中国目前供热系统对热量表选用的流量计提出了苛刻的要求。热量表中流量计是主 要的部件；欧洲现在的热量表已趋向于选用超声波流量计作为主流产品，精度较高，特 山东建筑大学硕士学位论文 别是对恶劣水质有较好的适用性，不易损坏，使用寿命长，但价格较高。国内市场上的 机械式热量表流量计绝大部分也采用了无磁传感技术【刀。而国产热量表在流量计等方面 仍然还是薄弱的环节；户用表普遍选用磁传感、机械式流量计。国内也出现了一些生产 超声波热量表的企业，如南京迈拓等，其家用热表价格在几百元，可靠性也比较高，但 只能达到二级精度。 超声波热量表是近几年来迅速发展的、正逐步应用于家庭的热量计量的新型流量计 由于超声波流量计具有较为突出的优点：无压损、对管路特性基本无干扰、非侵入式测 量，属于节能型仪表：量程范围比较宽；准确度高，可达o 5 ( 一级精度) i s 】；对液体 的压力变化不敏感；无可动部件，坚固耐用；能以相同的精确度进行双向计量。在这种 情况下，研究开发一款高精度的超声波热量表已是大势所趋。 1 2 超声波热量表的特点 热量表是测量、计算并显示热交换系统所释放或吸收热量值的仪表。它主要由积算 仪、流量传感器和配对温度传感器三部分组成。 超声波流量传感器是通过计量超声波在介质中，顺水流方向和逆水流方向的时间或 波形差异而求出介质流速的方法来最终计算而得到流量的。按传感器水流通道的方式， 超声波流量传感器一般分为单通道式和u 形管式。 超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流 体的超声波就可以检测出流体的流速，从而转换成流量。一般地说，超声波热量表是测 量质量流量和进回水温度差，进而求出总的热量。超声波换能器将电能转换成超声波能 量，将其发射并穿过被测流体，接收换能器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换 为代表流量的电信号，供显示和计算，这样就实现了流量的检测显示：再将测量的进回 水的温度差值同流量作积即为所求的热量。 1 3 超声波热量表的实现方案 超声波热量表按照功能可以分为以下几个部分【8 】：热积算仪、温度传感器、超声波 流量计，如果热量表具有控制功能，则进水阀和出水阀也包括在热表内。其中高精度的 超声波液体流量计是超声波热量表的核心部分。在热表内部，超声波流量计用于计量流 过采暖设备的热水的体积；两支温度传感器用于测量进水口温度和出水口温度；热积算 仪它能够根据流量计提供的热水流量和进水、出水温度差等数据计算出消耗的热量【9 1 。 热量表原理如图1 1 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 图1 1 超声波热量表原理图 超声波流量计按测量原理分为f 1 0 】：传播速度差法( 简称速差法) 1 1 , 1 2 、多普勒效应 法、噪声法、相关法等，其中常用的为速度差法和多普勒效应法。超声波液体流量计一 般采用速差法【1 3 , 1 4 】。速差法主要应用于单相流体的测量。而噪声法和相关法由于处理电 路复杂，检波难度较大，实际中较为少用【1 5 , 1 6 。 1 4 超声波热量表的关键技术 超声波热量表的精度是一个首先考虑的因素，其次是装置的可靠性及其低功耗等。 要提高系统的精度及其他性能指标，就必须要考虑以下几个关键因素。 1 4 1 超声波换能器 超声波换能器的主要性能指标包弭1 7 】：1 ) i 作频率。工作频率就是压电晶片的共振 频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵 敏度也最高。2 ) i 作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探 头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探 头的温度比较高，需要单独的制冷设备。3 ) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦 合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。在了解了超声波换能器的性能后，还应考虑其 与输入输出端的匹配、安装时的尺寸、安装方式及换能器酌布置方法等1 8 】。 按照测量时所用换能器对的多少，可将流量计分为单声道流量计与多声道流量计。 目前的热量表产品中，基于降低成本的考虑，一般都采用单声道测量方式【1 9 1 。 1 4 2 时间差的测量 在一般流速下，超声波逆流和顺流的传播时间差只有几百纳秒到几微秒( 随管径的不 同而不同) ，所以计时精度必须在l o n s 以下，才能保证有较高的测量精度( 娃1 0 ) ，而 1 山东建筑大学硕士学位论文 一般的单片机的时钟很少能到1 0 0 m h z 以上。所以在实际中，一般都会用到专门的计时 芯片( 如t d c g p 2 ) ，以期达到较高的计时精度。 在计时处理算法上，同济大学声学所的专利技术“随机多次测量时间间隔平均 、“可 能高的时标频率 、“高超声波的接收能力 及“过零电平检测等方法。大大提高了计 时精度，使误差降到了纳秒级【2 0 】。 1 4 3 信号处理与抗干扰措施 在抗干扰方面有多种成功的方法。如：在超声波接收电路中设计选频调谐放大电路， 电路谐振在超声波频率上，放大接收到的超声波信号，滤除其它频率的干扰信号。a g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 自动增益控制回路，由电路自动调节放大器的放大倍数，可 以提高放大有用信号滤除干扰信号的能力。 由于在管道测量中，被测液体中可能出现湍流或涡流等不规则的脉动，在测量数据 中会出现一些离散的干扰信号伫1 1 。还有绕管道壁传输的超声波及其他环境噪声等，都会 对测量信号产生影响。因此在超声波流量检测中，必须有高效滤波算法。在这一领域， 常用的滤波算法是自适应滤波和卡尔曼滤波。自适应滤波所采用的最佳准则有最小均方 误差( l m s ) 准则、最d x - 乘( l s ) 准则、最大信噪比准则和统计检测准则等，其中最小均 方误差( l m s ) 准则目前最为流行。卡尔曼滤波处理的是随机信号；被处理信号无有用和 干扰之分，滤波的目的是要估计出所有被处理信号。两种算法实际效果也是众说纷纭。 1 4 4 超声波速度的漂移 在相同的介质中，由于温度、压力、密度等因素的影响，超声波的传播速度会发生 变化。而在液体中影响超声波速度的因素只有温度和压力2 2 】。在超声波速误差补偿中常 用的是拟合公式法。 如：水中的波速： c = 1 4 5 0 + 4 2 1 t 一0 0 3 7 t 2 + 1 1 4 ( 8 - 3 5 ) + o 1 7 5 p ( 1 1 ) 式中：弘一摄氏温度；孓水盐度，按千分比计算；p - 水的静压力，单位为大气压。 实际应用中，由于国家标准等多个因素的影响，多采用查表法来实现。国标c j l 2 8 2 0 0 7 提供此类数表。 1 5 研究内容 本研究的目的是开发一款分户计量系统中的高精度网络化超声波热量表，由于前期 山东建筑大学硕士学位论文 已经进行了系统的方案研究，所以这个研究的核心集中在如何提高计量系统的精度，实 现计量信息的网络化传输，和探索系统的自供电方案。具体内容包括以下几个部分： ( 1 ) 超声波热表的研制：超声波流量计是超声波热表的主要组成部分，也是网络化 超声波热计量系统的核心部件。由于本课题中研制的超声波热表是面向家庭应用的，所 以高精度和低功耗是超声波热表非常关键的性能指标。在实现上述两项指标的同时，还 必须实现较低的故障率和较长的使用寿命。 ( 2 ) 提高系统精度的措施：在超声波热量计量系统中，热计量的精度是整个系统中 核心的难点问题。因为影响系统精度的因素有很多，所有这些因素，在研发的过程中都 必须考虑到，并逐一解决。其中最关键的两个因素是声速的温度补偿和超声波滤波技术。 本课题将采用合理的算法来补偿温度对超声波速度的影响，并且采用合适的滤波算法以 及设计高性能的滤波电路，来提高流量测量的精度。 ( 3 ) 低功耗的实现：有效地降低系统的功耗，目前市场上的热表多数内部采用机械 结构功耗比较大，无法适应电池供电的场合。本课题从设计之初就把低功耗作为系统的 一大性能指标，选择毫安甚至微安级的芯片，优化的p c b 工艺等等。 ( 4 ) 无线组网技术的研究：采用z i g b e e 技术，构建家庭智能控制网络。在超声波 热表中集成z i g b e e 无线网络模块，超声波热表采集的数据，就可以通过z i g b e e 网络首 先上传到家庭智能控制器上，在通过家庭智能控制器链接到小区局域网或者广域网上。 这样就能够实现远程抄表，还有供暖系统的远程控制了。 ( 5 ) 较高的安全性：在以往机械式的流量计上，由于内部含有机械部件或者电磁部 件，某些用户可能采用一些手段使流量计不工作或者计数不准确。本系统将在吸取前人 经验的基础上，尽可能的提高热量计量的安全性。以及数据网络传输过程中的安全性等 世 守o ( 6 ) 探索系统电源解决方案：由于超声波热量表需要长时间的离线工作，而且国家 标准要求热量表在不更换电池的情况下工作5 6 年，传统的解决方案是尽可能的降低系 统的功耗，同时提高系统内置电池的容量。本文将探索新的系统供电方式。 1 6 本章小结 欧美国家在超声波热计量领域起步较早，投入资金及技术力量较大，现在已有较成 熟的产品【2 3 1 。而我国在这一领域刚刚起步，鲜有产品，且精度较低，多数还需进口。因 此应加大这一领域的研究，在国外的基础上，尽快研发拥有独立知识产权的产品。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章超声波流量测量技术的研究 流量传感器是超声波热量表最关键的组成部分，其流量测量的精度直接影响超声波 热量表整个系统的精度。影响流量检测精度的几个重要因素分别是：测量管段的超声波 性能、超声波信号的发生和接收以及超声波信号的采集和处理。本章将主要对超声波流 量的测量方法、超声波信号发生和采集装置以及处理方法进行论述。 2 1 超声波流量测量原理 2 1 1 超声波流量测量方法 超声波热量表的流量测量原理，大致可分为两种：一种是利用超声波的传播速度随 流速变化而发生变化的原理来测量的超声波时间差法流量计；另一种是利用超声波在有 悬浮颗粒或气泡的流体的传播过程，中由于悬浮颗粒或气泡的反射使其发生频移的多普 勒效应来测量的多普勒流量计。时差法流量计通过测量出超声波沿顺流方向和逆流方向 的时间差来计算流量；多普勒法将超声波射束放射于与流体同一速度流动的微粒子，并 接收从微粒子反射回来的反射波，测出多普勒频率来测量流量。对于前者，只要是超声 波能够透过的测量对象都能进行测量，但不适宜测量混入非常大的且有妨碍物体( 例如 大量的杂物和气泡) 的流体；而多普勒流量计的测量原理则决定了它只适用于一些杂质 颗粒较大的场合。而我们研制的热量表主要用于家庭采暖用热，测量的流体是净水，不 适合采用多普勒流量测量技术。除此之外，在超声波流量测量中还有相关法和噪声法等 方法【2 4 】。 表2 1 常见的超声波流量测量方法 种类原理特点备注 时间差法利用波速与流体速度之间的关受温度影响较人，适 发展方向是提高计时精度及 系求速，进而得到流量用范围，“降低温度对精度的影响 多普勒法 检测发射声波与反射声波的频精度有保证，但计算只能用于含有固体颗粒的流 率差，进而求流量 量人，单片机难以实体 现 相关法寻找两路信号的相似程度，求流精度与管道口径、温 两套收发装置，且数据处理难 量 度、介质种类及流速度较大 关系不大 噪卢法利用管道内，液体流动时产生的线路简单，精度较低处理电路复杂 声波的强度与速度的关系求流 量 山东建筑大学硕士学位论文 表2 1 是几种常见的超声波流量测量方法，在各种实现方案中，时间差法环境适应 性强以及实现难度低，被广泛采用。在时间差法测量方案中，又包括渡越时间差法、相 位差法和声循环频率差法，在这三种方法中渡越时间差法实现难度最低且价格低廉，但 是影响计量精度的因素较多，因此选用渡越时间差法作为测量方案，辅以消除影响精度 因素的策略。表2 2 各种时间差法的比较。 表2 2 几种时阎差法的比较 方法原理特点备注 渡越时间直接测量超声波脉冲顺流和逆常用于大口径流量的流体的组成或密度将引起声 差法流传播的时间差测量，需补偿温度对速的变化，影响精度 声速的影响 相位差法相位差法通过把时间差转换成补偿温度对声速的影计算较复杂 相位差，避免了测量微小的时间 响 差 声循环频发射换能器向被测流体发射声温度对声速影响较电路较复杂 率差法脉冲，接收器收到声脉冲后，再小，精度较好 发射下一个声脉冲 2 1 2 渡越时差法超声波流量测量 本设计采用渡越时间差法作为流量测量方法，来求取液体流量。测量系统中，超声 波是由超声波换能器产生的。 v 型安装 w 型安装 u 型安装 图2 1 换能器安装示意图 在超声波流量测量领域常见的换能器安装方式有以下几种，一般大管径测量，采用 z 型安装；对小口径管道来说，采用v 型或w 型安装。目前在户用超声波热量表中还出 现了u 型安装方式，以增加声程。安装示意图如图2 1 所示。u 型安装方式是对w 型安 山东建筑大学硕士学位论文 装方式的改造，由于超声波传输过程中，波束的能量会不断扩散，多次反射必然导致能 量传输效率低、杂散信号较多等。u 型安装方式可以在减少反射次数前提下，适当的延 长声程。在本设计中采用z 型安装方式，以降低后续处理的复杂度伫5 1 。 渡越时间差法的基本测量原理是：通过测量相同声程下，超声波在顺流和逆流方向 上的传播时间之差，来测量液体的流速。如图2 2 所示。 图2 2 超声波流量测量原理 在流量计的测量管段上，安装有两个超声波换能器1 和换能器2 ，它们交替的接收 或发送超声波脉冲【2 6 】。将图中，液体中的声速定义为c ；液体流速为k 换能器间的距 离为三；换能器与管道夹角为p ；管道直径为d 。 当流体以速度v 流动时，超声波的实际传播速度c d 是声速c 和流体在声道方向上 的速度分量g e o s 0 的叠加，即： q = c + y c o s p ( 2 1 ) g = c g c o s 0 超声波信号在流体中的顺流和逆流的传播时间分别为： = f i 啦2 锰= t 2 i2 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中：l 为两个换能器间的距离，c 为超声波在静水中的传描速度。所以有： r = 磕一= 乏畿 ( 2 3 ) 一般情况下，超声波在2 0 c 的水中的传播速度在15 4 0 m s 左右，而正常情况下，在 采暖系统中，热媒的流速远远小于声速，即v 2 c 2 ，所以上式可以简化为： a t = t 谴一f _ ：2 l v ，c o s 0 ( 2 4 ) 一一= ，一 【2 4 ) 讲一步得到： 一p 一9一三一 万 i 山东建筑大学硕士学位论文 矿= 二，_ f( 2 5 ) 2 l c o s 0 因此如果测量中，已知l 、c 、口，通过测量时间差就可以求出流速儿但这种方法 的前提是必须事先知道超声波在热媒( 温水) 中的传播速度c ，而传播速度c 是热媒温 度的函数，为了消除温度对测量精度的影响，可以采取以下处理方法。 超声波声路上测得的流体速度y 是线平均速度，而测量所需的是面平均速度，两 者比值r = v ，称为流量修正系数。因此流量计算公式为： q ：三丝一a t ( 2 6 ) 8 r c o s 0l 式中：口_ 钡0 量管段直径，单位m ； 卜换能器间的距离，单位m ； 出时间差，单位s ； k 流量修正系数； 卜换能器1 、2 相对于管道轴线的夹角。 经过上述推导可知，超声波流量测量的关键技术在于时间的测量，高精度的时间值 是提高流量测量精度的前提，这也是本研究要解决的关键问题之一。 图2 3 超声波流量计硬件电路框图 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 超声波热量表中流量计的设计 超声波流量计硬件系统主要包括：m s p 4 3 0 系列微功耗单片机、超声波发射电路、 超声波接收电路、时间数字转换芯片、无线收发模块等组成。由超声波流量计到超声波 热量表，二者在硬件电路上的差异只有一个温度测量模块。整个硬件电路组成框图如图 2 3 所示。 2 2 1 系统硬件设备的选择 在流量计系统中包括单片机、超声波换能器、时间测量模块和z i g b e e 通信模块等几 个部分，本节将依据系统要求选择各部分，z i g b e e 通信模块，将在后续的章节中论述。 1 ) 单片机的选择 在低功耗电子系统设计中，首先要根据系统的要求选择单片机。选择单片机要考虑 到其功能和开发环境外，特别要关注的是单片机自身的功耗和它所能提供的节能措施以 及重要的i o 口线等。考虑到热量计量系统低功耗方面的要求，本设计采用了t i 公司的 m s p 4 3 0 f 4 3 5 单片机，它是专门为低功耗而设计的一款1 6 位单片机。 该单片机的详细参数见参考文献 2 7 】，该单片机系统典型连接如图2 4 所示。 一 i dc 2 31 0 0 n f ；o 菇孰6 4 4 a 4 t 一 一” 骶 5 骶5 a 。5 。 q 2 r - a x l t 矾 肇品6 7 p p 6 6 讹f f a 懈6 ， v r 阡7 | - ：二： n ，、i ，；efr i u 一，一 咒| j 鼍垛一淄赢一 n 【1 n 4 8 昙兽一鬲：销； 呲p 娶萼一茹：描 鬲獬s 51 7二： 媾曼俐耋蘸 心4卜 队“5 8 i l奏。尚重。翌 一 图2 4 单片机系统典型连接图 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 超声波换能器的选择 换能器主要是指电声换能器，它能实现电压震荡到机械震荡之间的转换【2 8 】。超声波 换能器的种类很多，性能各异，一般有以下几个参数需考虑【2 9 l ： ( 1 ) 频率：超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量时， 超声波频率范围一般为0 5 m h z 2 m h z 。超声波的频率越高，声束扩散角越小，能量越 集中，方向性越好，分辨力也越好。按理说为提高计时精度，应选高频率韵探头：但是 对于同一材料来说，频率越高，超声波衰减越大。 ( 2 ) 入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在管壁 及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的 选择性，一般选择入射角大于第临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被 探头接收。 ( 3 ) 发射强度：由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以 上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，所以要使接收换 能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超 声波首波，提高测量精度。 在本研究中，对于d n 2 5 的钢管道，为了保证信号强度和传播距离及方向，选择中 心频率为1 m h z ，超声波的入射角为4 5 0 。 3 ) 时间测量模块 为了提高渡越时间差法的超声波流量测量的精度，常采用时间数字转换模块。前述 已知，流量测量关键是对顺、逆流时阳j 差的精确测量，计时模块的精度直接决定了整台 仪表的精度等级、重复性误差、测量下限以及始动流量等性能。 行业内，比较专业的即使芯片是德国a c a m 公司的t d c g p 2 ，这是通用时间数字 转换( t d c ) 模块的新一代产品，具有高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时 钟控制等功能，详见参考文献 3 0 】。这款芯片利用现代化的纯数字化c m o s 技术，将时 间间隔的测量量化到6 5 p s 的精度，给超声波流量计的时差测量提供了解决方案。 由于其具有精确的温度测量、触发脉冲产生器、窗口和时钟校准器等，因此其基础 上加上一个微处理器和一个传感驱动与接收器，就可构成超声波热量表，t d c g p 2 很适 合低成本的超声波热量表设计。微处理器只需发送一个开始命令，t d c g p 2 就会发出脉 冲触发超声波传感器并测量超声波渡越时间，g p 2 计算出结果通过s p i 串行总线传送给 微处理器。部分连接电路如图2 5 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 图2 5 单片机与t d c - g p 2 的连接 除此之外，t d c g p 2 还有非常优秀的功耗控制功能。t d c g p 2 内建高精度脉冲发 生器和高灵敏度计数器，芯片就是通过记录一定时间段内的脉冲数来计时的。在超声波 测量中，其核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量s t a r t 信号上升沿到下一 个参考时钟上升沿和s t o p 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由参考 时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。 2 2 2 系统部分硬件电路的设计 硬件系统中除了各个芯片及其外围电路外，还有各芯片间的连接电路，例如超声波 发射与接收及其功能转换电路、滤波整形电路、电源显示和按键电路以及a g c 回路等。 本节将重点论述前几部分，a g c 回路将在后续章节详细论述。 1 ) 超声波发射及功能转换回路 超声波发射电路功能设置是脉冲宽度与脉冲幅度。为使整个系统具有较高的测量灵 敏度，换能器的中心频率总是越高越好，频率越高，信号上升沿越陡，超声波到达时刻 确定就越准，测量精度也就越高。但换能器的中心频率还受到测量管径大小的限制，由 于超声波频率越高，其衰减也就越大，因此换能器的中心频率也不宜太高。一般流量计 采用的换能器工作频率在5 0 0 k h z 1 m h z 之间。为使换能器的中心频率1 m h z 处于该发 射频谱的极大值点，脉冲宽度宜取o 5 u s ，1 5 u s ，2 5 u s ，这时发射效率最高。在 山东建筑大学硕士学位论文 这些序列值中，脉冲宽度不能取得太小，也不能取得太大。一般由超声波发射回路产生 矩形波，换能器收到矩形波后，由于其机械效应可将矩形波转换成测量需要的正弦波。 t d c 。g p 2 内置的脉冲发生器可以产生1 1 5 个可变相位的脉冲序列，通过对内部寄存 器的设置，可以调整脉冲序列的频率、改变脉冲序列的输出个数以及对脉冲的相位进行 设置。通过发送代码s t a r tc y c l e 来激活触发脉冲发生器。触发脉冲发生器提供两个输出结 果，f 沁丽f i r c 2 ，每个输出在5 v 时的驱动能力是4 8 m a 。这两个输出的驱动能力可以同 时增加到9 6 i i 溘。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍，此外输出管脚能被 单独地设置为高阻态。因此，对于小管径( 如d n 2 5 ) 的流量测量来说，无需前端放大电 路，可以直接用f i r e 输出脉冲驱动超声波换能器【3 1 1 。 在实际工作中，压电超声波换能器都工作在谐振状态下，根据压电换能器的谐振和 动态理论可知，处于谐振状态下的换能器对外呈现一个容性器件。为了使压电陶瓷获得 足够大的振动能量，采用电感电容匹配电路来补偿换能器的容性阻抗。由串联谐振公式 确定l c 谐振电路中的电感量，串联谐振公式的数学表达式为： 厶：l ( 2 7 ) c o 其中厶为匹配电感，为换能器的谐振角频率。根据多次的试验，得到超声波换 能器的等效电容和等效电阻，在理论计算值的基础上，