（材料加工工程专业论文）超声波气体流量计的研制.pdf

i 摘 要 超声波气体流量计ultrasonic gas flowmeter是一种利用声学原理工作的新型 流量仪表它广泛应用于天然气冶金化工等工业中本文详尽阐述了一种新型超 声波气体流量计的研制该仪器采用分体式设计分别为超声波流量变送器和流量积 算仪两大功能模块均选用 winbond 公司的 w78e58b 单片机作为处理器在流量 变送器的设计中所使用的传感器超声波换能器是利用压电陶瓷的压电特性设计而 成针对超声波换能器材质与气体介质特性阻抗相差很远而导致超声波在气体流体中 衰减极大的问题我们结合单片机技术和高频电路设计技术设计出了一套全新的超 声激励电路和接收调理电路它能极大的改善发射和接收波形进而提高测量的精度 和抗干扰能力计算出的流速结果通过 d/a 转换成标准的 420ma 电流输出以提 高抗干扰能力流量变送器同时具备 rs-485 串行通信接口所有的参数设定均通过 计算机软件来实现流量积算仪采集 420ma 的流速压力和温度信号计算出实 时的标准状况流量然后对流量进行累积计算通过液晶显示屏显示实时流量累积 流量温度压力以及历史流量流量积算仪设计了键盘接口各种系统参数通过键 盘修改以适应不同的要求该仪器通过 rs-485 串行通信接口与计算机连接进行数 据传输计算机可以实时的读取各种测量数据本文分章节详细的阐述了仪器的研制 过程首先是仪器的原理和总体规划然后是两大功能模块的软硬件设计和调试 文中对串行通信协议也作了详细的说明最后是文章的总结 关键词气体流量计 超声波 换能器 单片机 ii abstract ultrasonic gas flowmeter is a new kind of flow instrument which works according to acoustics theory. this instrument is extensively used in natural gas, metallurgy, chemical industry. in this article, a new design for ultrasonic gas flowmeter is expatiated in details. the instrument is designed as two individual parts: flow transducer and flow calculator. the microchip w78e58b of winbond cois adopted as mcu. the design of ultrasonic transducer is based on piezoelectricity of the piezoelectric ceramic. aiming at ultrasonic attenuation prodigiously in gas-flow, a new high voltage pulse cluster transmitting circuit is given combining with microchip and high frequency circuit design technology. it can improve transmitted and received waves obviously, then enhance the measuring precision and anti-jamming capability. transferred to 4-20ma current by dac, the result of flow rate is transmitted to the flow calculator because of the complex locale circumstance. in addition, the flow transducer has a rs-485 serial communication interfaces, the parameter can be set by computer. the flow calculator transfers the flow rate, pressure, temperature analogue signal to digital, then calculates the real time flow in standard condition and cumulates the flow. the real time flow, cumulate flow, history flow, pressure and temperature are displayed on the lcd.a keyboard is designed in this instrument, system parameter is set by the iii keyboard. the data is transmitted to computer by a isolated rs-485 interfacethe article describes the design course of the flowmeter in chapter: chapter 1 describes the theory of measuring flow by ultrasonic, the layout of the instrument is given in chapter 2, chapter 3 and 4 is about the design of flow transducer and flow calculator, chapter 5 and 6 introduces the serial communication protocol and the debugging of the instrument, the last chapter is the summarize. keywords: gas flowmeter ultrasonic transducer microchip 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中 以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本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扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在_年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 1 第一章绪 言 1 . 1 引言 流量计作为应用最为广泛的仪表之一在化工冶金石油等众多行业有着不可 替代的作用应用超声波原理检测流量起始与 1 9 2 8年而进入实用阶段是 2 0世纪 8 0 年代在开发出了成本更低的数字电子技术大规模集成电路技术之后落后的 模拟超声技术才被逐步取代超声波应用得到了飞速的发展1 超声波在气体中的衰减很大因此在早期的应用基本局限于测量液体流量用 于测量气体流量的研究则始于二十世纪 9 0 年代随着大规模集成电路的飞速发展 微处理器的性能和速度不断提高超声波气体流量计像一颗耀眼的新星骤然升起 出现多种型号准确度较高的超声波气体流量计2如多普勒超声波流量计时差式 超声波流量计频差式超声波流量计插入式超声波流量计等超声波流量计测量 气体流量与测量液体流量的原理基本相同其信号检测方法有时差法频差法相 位差法多普勒法相关法波束偏移法和噪声法由于时差法频差法相位差 法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体速度 的故又通称为传播速度差法其中时差法和频差法克服了声速随流体变化而带来 的误差准确度较高因而被广泛应用多普勒法是利用声学多普勒原理通过测 量不均匀流体中散射体散射的超声波的多普勒频移来确定流体流量适用于含杂度 较高的流体或是两相流的测量相关法是利用相关技术测量流量因此在原理上此 法测量的准确度与流体中的声速无关基本也与温度浓度无关准确度高波束 偏移法和噪声法由于灵敏度低使用范围不广被较少应用 与孔板涡轮等传统气体流量计量技术相比超声波气体流量计具有以下众多优 良的性能特征3-4 1适用于多种管径气体流量的高精度计量流量和管径越大精确度越高 2量程比宽重复性高 3流量计本体无压力损失可大大降低长输管道增压费用 2 4可精确测量脉动流不受沉积物或湿气的影响 5可测双向流量不受压力温度分子量气态组分变化等物理化学性质的影 响 6安装简单管道清洗方便 在应用超声原理检测流量的实现过程中最重要的就是对超声波换能器在工作过程 中的信号的采集信号的优劣直接决定检测的准确度精确度和稳定性 1 . 2 超声波检测流量的原理 1 . 2 . 1 基本原理与推导 图 1-1 超声波检测流量原理 时差法超声波测量流量的原理5-10如图 1-1 所示在充满流体的管道壁有两个成 一定夹角的超声波探头设流体速度为 v管道直径为 d两探头中心线之间距离为 l探头与管道法线之间的夹角为超声波在静止被测流体中的速度为 c 则有l = d/cos 一束超声脉冲经流体传播 其计时声程即为 l , 在顺流和逆流方向有不同的时间, 其公式为: 顺流时间tab l/(c+vsin), 逆流时间tba l/(c-vsin), 3 由上面 3 式推导计算出流体的速度 v , 流速方程为 v = d(1/ tab - 1/ tba)/sin2 在一个小时的时间内流过管道的流量 f 为 f = 3600vd2/4 = 3600d3(1/ tab - 1/ tba) 4 sin2 如果要将流量转换成标准状况下的流量需要对管道内的温度和压力进行采样 设管道内温度和压力分别为 tp则标准流量为 flow = (298pf)(101000t) 由上面推导可知只要通过精确的计时系统对 t a b tb a进行采样测量流体流速 时并不需要获取超声波的传播速度 1 . 2 . 2 原理的实现 通过原理可知实现超声波测量流量的关键是计时采样11-14两个最基本的参数 是超声波顺流传播时间和逆流传播时间设计两路由微控制器控制的超声波发射电路 控制发射探头发射超声波接收探头接收后送出响应信号接收调理电路对响应信号 放大调理后输入给微控制器进行处理分析就可以获得超声波在顺流和逆流传播的两 个时间参数在软件实现上描述即为在顺流发射程序开始的同时启动计时器接 收到的波形调理后输入到 cpu在第一个波形到来后计数器停止同时记录下第一 个波形然后等待后面波形的到来cpu 将对接收到的波形进行分析处理一旦认为 接收成功将结合计数器的值得到顺流超声波传送时间依此相同然后发射逆流超 声波计算出逆流传播时间最后微控制器结合设定在仪器存储器中的参数可计算出 流量 1 . 2 . 3 理论误差分析 以上讨论的超声波流量计在导出其相应的流量计方程时,都是把流速 v 看作是沿 管道截面平均分布的面平均流速, 而事实上超声流量计所实测的流速却为超声射线在 管道截面上的平均流速即线平均流速这将带来一定的误差由于气态流体的复 4 杂性流体的雷诺系数 re 很难被测定我们无法对速度进行理论修正 1 . 3 超声波气体流量计的国内外发展状况 由于超声波气体流量计具有许多传统流量计所无法相比的优点如精度高量 程比大可测范围大无压损可测双向流量等等近年来在流量计量领域备受 国内外工程界的关注在天然气输送工程城市煤气输送工程等工程应用和国际贸 易中超声波气体流量计有着非常广阔的应用前景甚至有后来居上取代传统流量 仪表的趋势 国外对于超声波气体流量计的研究不超过 2 0 年15近几年发展势头甚为迅猛 2 0 0 0年在巴西召开的f l o m e k o 2 0 0 0第十届流量测量国际学术讨论会上重点讨 论了超声波流量计该方面的论文数占总论文数的 2 9 . 4接近 1 / 3 而历届讨论 最多的有关压差式的论文仅占 1 7 . 6不再成为热点由于超声波在通过气体时的 阻力气阻要比在液体和固体中大得多因此衰减十分厉害对测量电路的要求 更高目前在国际上能将超声波技术成功应用于气体测量并且推出成熟产品占有 一定市场的估计只有十家左右16处于领先地位的有荷兰 i n s t r o m e t公司美国 的 c o n t r o l o t r o n 公司d a n i e l 公司德国的 k r o h n e 公司前三个公司都进入了潜 力巨大的我国市场角逐激烈如 c o n t r o l o t r o n公司的产品有 1 4路声道测 速范围为- 4 6 4 6 m / s 可测 5 0 1 6 0 0 m m管径的范围精度可高达0 . 5 , 同时配备 r s 4 8 5 / r s 2 3 2 数据接口能方便的与上位机进行通讯 国内对于超声波气体流量计的研究也开展较早但是却一直未能蓬勃发展科 学院合肥分院与四川石油设计院在 1 0多年前联合研制超声波气体流量计在 1 9 8 6 年进行了样机实验本溪无线电一厂也曾经开发推出了 c q j - 1 a型超声波气体流量 计但至今还未成功应用于现场近几年由于微电子数字电路的飞速发展国 内厂商开始对此投入重视亦推出了一些超声波气体流量计产品如上海洪柯自动 化仪表有限公司推出的 s h w z超声波流量计一些技术指标已经接近国外公司的产 品但是在使用的可靠与稳定性方面尚有不少差距然而和以前只能使用进口仪器 售后与配件维修很不方便相比已经是大大的飞跃了 5 对国内外现状分析来看超声波气体流量计发展应用的势头甚猛目前美国 英国荷兰德国加拿大俄罗斯等 1 0 余国家已经批准它为天然气贸易输送系统 的计量仪表我国也在对此进行论证制定标准以我国四大世纪工程之一的西气 东输为例该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到 1 0 0亿元流量计量是整 个工程中的重要检测参数经过论证已将超声波气体流量计作为流量计量的首选 仪表而国内外的超声波气体流量计的状况可以概括为以下几点 1 发展时间不长但是近几年是流量计量领域的热点 2 国外发展较为迅速产品性能比较成熟可靠但是价格十分昂贵 3 国内产品比较匮乏这方面的研究发展过于缓慢近两年有部分产品出 现但是现场使用中的稳定性和可靠性较差无法达到使用要求 4 国内市场需求量大有着广阔的应用前景 1 . 4 课题的提出 本课题的目的就是要研制一种高精度高抗干扰性并且价格低廉操作简便的 超声波气体流量计从这类仪器的应用现状来看目前的超声波气体流量计基本来 源于进口价格十分昂贵国内尚未推出十分成熟的产品因此面对国内广阔的市 场研究这样一款仪器是一件十分有意义的事情 通过对国内外超声波气体流量计的发展及现状分析并结合现有条件我们认 为有必要进行高精度超声波气体流量计方面的研究现将其主要技术指标和实现的 功能列举如下 1 适用气体脏污腐蚀湿饱和粘性等各类气体 2 电源2 2 0 v a c 3 声道2 4 测量管径范围( m m ) 5 0 1 5 0 0 5 测量流速范围( m / s ) : 5 0 6 测量精度( % ) : 1.5% 7 时间分辨率0.1s 6 8 量程比1350 9 重复性0.2 1 0 压力范围( m p a ) : 0 2 1 1 模拟输出4 2 0 m a 1 2 数据接口r s 4 8 5 1 3 温度范围- 2 0 8 0 1 4 湿度要求不超过 9 5 1 5 显示方式背光液晶模块显示同时采用键盘方式进行仪器调整同 时可通过 rs485 与上位微机通讯在上位微机进行实时显示和控制 7 第二章 仪表的总体功能规划 2 . 1 分体式设计 图 2-1 仪表硬件框图 如图 2 - 1所示超声波气体流量计的电路主要由七个大部分组成它们分别为 换能器顺流逆流探头超声波发射电路超声波接收电路信号调理电路从 单片机及其外围电路主单片机及其外围电路人机界面及输出部分电路17 在课题初期进行的测试中我们使用的是一体化设计即图 2 - 1中除探头外所 有硬件部分均装配在一个仪表盒内安装在流量监控室主从 c p u之间采用协议共享 存储器来实现通讯但是在现场我们发现对探头信号的采集完全失败经过仔细的 分析后我们认为流量监控室和探头安装点的距离在数百米以上若是测量采样部 分同显示部分采用一体化设计则激励探头的高压和探头采到的微弱电信号要通过 长达数百米的同轴电缆进行传输 在如此长的传输线路上 分布电容通常高于 1 0 n f 探头发出的信号完全被衰减掉此时有两种可行方案解决此问题一是采用分离式 设计将测量采样部分独立安装在探头附近探头到信号调理部分的传输线路一般 8 不能超过 2 0 米然后将采样结果以 4 2 0 m a 的电流输出传送到流量监控室二是依 旧使用一体化设计在探头附近将采样电信号通过光电转换后以光缆传输到流量监 控室然后再经过一次光电转换将信号传送给仪表此种方法需要更多的元器件 成本较高 经过充分考虑现场的实际我们最终决定采用分体式设计仪器被设计成两个 独立的功能模块即图中的虚线所分划分的上下两大块上面部分称作超声波流量 变送器下面部分称作流量积算仪 2 . 2 微处理器的选择 2 . 2 . 1 单片机技术的发展特点 自单片机出现至今单片机技术18已走过了近 20 年的发展路程纵观 20 年来 单片机发展历程可以看出单片机技术的发展以微处理器mpu技术及超大规模 集成电路技术的发展为先导以广泛的应用领域为拉动表现出较微处理器更具个 性的发展趋势 8位16位32位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向长 期以来单片机技术的发展是以 8 位机为主的随着移动通讯网络技术多媒体 技术等高科技产品进入家庭32 位单片机应用得到了长足发展以 motorola 68k 为 cpu 的 32 位单片机 97 年的销售量达 8 千万枚过去认为由于 8 位单片机功能 越来越强32 位机越来越便宜使 16 位单片机生存空间有限但 16 位单片机的发 展无论从品种和产量方面近年来都有较大幅度的增长 单片机速度越来越快 mpu 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越 来越高为标志的而单片机则有所不同为提高单片机抗干扰能力降低噪声降 低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求一些 8051 单片机兼容厂 商改善了单片机的内部时序 在不提高时钟频率的条件下 使运算速度提高了很多 motorola 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时 9 钟发生器的频率1968hc08 单片机使用 4.9m 外部振荡器而内部时钟达 32m而 m68k 系列 32 位单片机使用 32k 的外部振荡器频率内部时钟可达 16mhz 以上 低电压与低功耗 自 80 年代中期以来nmos 工艺单片机逐渐被 cmos 工艺 代替功耗得以大幅度下降随着超大规模集成电路技术由 3m 工艺发展到 1.5 1.20.80.50.35 近而实现 0.2m 工艺全静态设计使时钟频率从直流到数十兆 任选都使功耗不断下降motorola 最近推出任选的 m.core 可在 1.8v 电压下以 48mips 全速工作功率约为 20mw几乎所有的单片机都有 waitstop 等省电运 行方式允许使用的电源电压范围也越来越宽一般单片机都能在 3 到 6v 范围内 工作电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施低电压供电的单片机电源 下限已由 2.7v 降至 2.2v1.8v同时 0.9v 供电的单片机已经问世 低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力使产品能适应 恶劣的工作环境满足电磁兼容性方面更高标准的要求各单片机商家在单片机内 部电路中采取了一些新的技术措施如美国国家半导体 ns 的 cop8 单片机内部增 加了抗 emi 电路增强了“看门狗”的性能20motorola 也推出了低噪声的 ln 系列 单片机 otp与掩膜 o t p 是一次性写入的单片机过去认为一个单片机产品的成熟是 以投产掩膜型单片机为标志的由于掩膜需要一定的生产周期而 o t p 型单片机价 格不断下降使得近年来直接使用 o t p 完成最终产品制造更为流行它较之掩膜具 有生产周期短风险小的特点近年来o t p 型单片机需求量大幅度上涨为适应这 种需求许多单片机都采用了在线编程技术( i n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 未编程的 o t p 芯片可采用裸片 b o n d i n g 技术或表面贴技术先焊在印刷板上然后通过单片机上 引出的编程线串行数据时钟线等对单片机编程解决了批量写 o t p 芯片时容易 出现的芯片与编程器接触不好的问题使 o t p 的裸片得以广泛使用降低了产品的 成本编程线与 i / o 线共用不增加单片机的额外引脚而一些生产厂商推出的单 片机不再有掩膜型全部为有 i s p 功能的 o t p 10 2 . 2 . 2 课题选择的单片机 现在市场上常用的单片机有motorola 单片机microchip 单片机scenix 单片 机nec 单片机东芝单片机富士通单片机epson 单片机zilog 单片机ns 单片机三星单片机和华邦单片机等我们所设计的仪器对单片机的速度有一定的 要求拥有较大的程序存贮器在成本允许的范围内速度越快越好根据目前市场 的价格和供货情况我们决定选用国内外使用量最大的 mcs51 系列单片机作为 该仪器的微处理器w i n b o n d公司生产的 w 7 8 e 5 8 b单片机21融 8051 内核与闪速 flash存储器技术于一体自带 32+4k 内部程序存储器其使用寿命长可 重复编程 1000 次以上数据不易挥发而且具有逻辑加密使研制的系统不易被 仿制由于片外无须接程序存储器省去了常规单片机最小系统中的 eprom 和地 址锁存芯片节约了仪器的空间另外w 78e58b 自带串行通讯口便于与计算机 进行通讯 流量变送器单片机选择 由于要计时采样同时计时的精度决定了整个仪表的精度 因此我们选用 w 7 8 e 5 8 b 同时使用 2 4 m 晶振 流量积算仪单片机选择 本模块对于单片机的速度没有太高的要求由于程序量较 大因此我们同样选用 w 7 8 e 5 8 b 同时为了串行通信波特率选用的便利我们使用 了常见的 1 1 . 0 5 9 2 m 晶振 2 . 3流量变送器硬件规划 超声波换能器(探头) 在超声工作中通常采用压电陶瓷材料做为换能器 接收信 号的特性还与声束传播顺流或逆流有关各类流量计解决此问题采取不同的方案 对于流量计低流量时的准确度换能器的线性度很重要非线性特性甚至在无流量 时可能引起两方向的计时差别造成实际上无流量却出现流量显示因此换能器需 要良好的线性度灰尘附着于线性换能器的表面可能造成换能器振幅不同而产生非 线性同时换能器本身的选频特性和电路噪声亦是决定性能的重要因素良好的选 频性和低固有噪声是非常有必要的 11 超声激励电路 通过单片机系统控制发射电路产生超声波信号发生主要要求 是发生功率足够强劲使换能器产生足够强的超声波此一环节是相对容易实现和 比较经济的若是接收电路本身元器件噪声太大无法实现更大的增益就应设法 从发射电路入手产生更为优质的信号使信噪比增大 接收和信号调理电路 主要是信号放大与信号采样对于电路要求较高首先 要采用超低噪声高速元器件其次对与接地和屏蔽有更高的要求 精密计时技术 高速精密的计时是整个系统的关键由于单片机本身计数系统 的局限性采用外部硬件计时是有必要的多位数的计时器的设计就变得非常重要 随着精度要求的提高采用 c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 也是考虑的方案之一如果 要满足规范要求的低流量的不确定度双向信号的计时不确定度约为 3纳秒由于 应用低功率电源的限制要达到它十分困难甚至 1 0 m h z的计时时钟允许的直接计 时亦仅 1 0 0 n s 在计数周期内进行大量的测量有其优点如果测量是真正随机性的 允许单次测量有大的不确定度其平均值仍可达到低的不确定度 d/a转换 最终计算出得流速结果需要将其转换成电流输出因此所选 dac 需 要较高的转换精度和抗干扰能力 2 . 4 流量积算仪硬件规划 液晶显示 显示屏上需要对流量累积流量温度压力进行显示普通的 l e d 已不能满足要求选用基于单片机的液晶显示模块产品是必需的 键盘接口 本部分参数众多 需要使用键盘设定参数 键盘需要的 i/o 资源较多 因此在设计中如果存在单片机 i/o 端口缺乏的情况应该考虑使用专有芯片来实现键 盘与单片机之间的接口减少 i/o 端口的占用 温度和压力采样 流量变送器传输过来的信号是标准的电流信号为了保持电路 设计时的简便我们将使用变送器将温度和压力的信号也转换成标准电流信号 a/d转换 流速压力温度最终需要通过 a/d 转换adc 要求有较高的转换 精度和速度 12 2 . 5 软件规划 本仪表设计为分体式设计因此每个功能模块的软件设计均包括两部分单片 机软件和上位计算机软件 流量变送器软件规划 单片机软件采用 c 5 1编写包括对超声波发射的控制 接收回波的分析以及 d / a 转换由于没有人机交互接口因此采用 r s - 4 8 5 通讯和微 机进行通讯上位机软件对其进行参数设定和控制我们使用 v i s u a l b a s i c 6 . 0 编 写这部分软件 流量积算仪软件规划 单片机软件主要为采样计算驱动液晶显示以及键盘功 能实现本部分同样使用 r s - 4 8 5 串行通信与微机接口上位微机软件较为简单仅 仅实现在计算机上对液晶显示的数据的检测 13 第三章 流量变送器的设计 3 . 1 超声换能器的设计 超声波已经成功应用于液体流量的测量但是由于技术上的难题使得在气体流 量测量上的应用进展不大主要问题是超声换能器材质和气体介质特性阻抗相差很 远造成换能器接收和发射效率太低因此设计一组性能优良的换能器至关重要 3 . 1 . 1 超声换能器分类 超声换能器探头是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外 界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件22超声换能器的种类很多如按照 能量转换的机理和利用的换能材料可分为压电换能器磁致伸缩换能器静电换能 器机械型超声换能器等按换能器的工作介质可分为气介超声换能器液体换能 器以及固体换能器等按照换能器的工作状态可分为发射型超声换能器接收型超 声换能器和收发两用型超声换能器超声换能器是一种能量转换器件其性能描述与 评价需要许多参数超声换能器的特性参数23包括共振频率频带宽度机电耦合系 数电声效率机械品质因数阻抗特性指向性发射及接收灵敏度等等不同的 用途的换能器对性能参数要求不同例如对于发射型超声换能器要求换能器有大 的输出功率和高的能量转换效率对于接收型超声换能器则要求有宽的频带和高的 灵敏度等 3 . 1 . 2 超声换能器主要性能指标 工作频率 超声换能器的工作频率的选择是很重要的它不仅直接关系到换能器 的频率特性和方向特性 也影响到换能器的发射功率 效率和灵敏度等重要性能指标 通常换能器的工作频率就等于它本身的谐振频率这样可以获得最佳的工作状态取 得最大的发射功率和效率主动式超声换能器处在接收状态下的工作频率是与发射状 态下的工作频率近似相等的而对被动式接受换能器而言它的工作频率是一个较宽的 14 频带同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高以保证换能器有 平坦的接收响应 阻抗特性 换能器作为一机电四端网络它具有一定的特性阻抗和传输常数由 于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配24所以在换能 器设计时计算出换能器的等效输入电阻抗是十分重要的 方向特性 超声换能器不论是用作发射还是接收本身都具有一定的方向特性 不同应用的换能器对方向特性的要求也不相同作为测量风速度即测流量的应用 来讲要求方向性较好 频率特性 超声换能器的频率特性是指换能器的重要参数指标随工作频率变化的 特性例如对于接收换能器要看它的接收灵敏度随工作频率变化的特性对一个发射 器则要看它的发射功率和效率随工作频率的变化特性 3 . 1 . 3 压电超声换能器 在众多的超声换能器类型中压电超声换能器是应用最广的一种皮艾尔居里 和雅克居里兄弟 1 8 9 0年发现压电效应天然的存在于某些具有极轴的单晶体中 例如石英电气石硫酸盐硫化镉及氧化锌等晶体压电超声换能器是通过各种具 有压电效应的电介质如石英压电陶瓷压电复合材料以及压电薄膜等将电信号 转换成声信号或者将声信号转换成电信号从而实现能量的转换假如我们把压电 特性的某种晶体材料切成圆片或者方片状使得该片状晶体的两个相对的平面与给定 的轴向向垂直并在这两个平面上涂上金属薄膜如金银或铝作为电极若有机 械压力加在涂有电极的表面上时则会在两个电极面上分别引起等量异号的电荷因 而二电极间会生成一可检测的电压 这是正向压电效应 当在两个电极面上施一电压 使之在晶体内形成一电场时就会得到反向压电效应此时晶体将承受一机械应变 压电陶瓷是目前应用中最为常用的材料其优点有 1) 在高频范围压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发声 器所以机电转换效率高一般可达到 80%左右 2) 容易成型可以加工成各种形状如圆盘圆环圆筒圆柱矩形以及球 15 形等因而可以应用于许多不同的场合 3) 结构简单易于激励当经过极化以后的压电陶瓷元件被应用于换能器以后 换能器的激励将不再需要极化电源从而简化了压电换能器的激励电路 4) 通过改变成分可以得到具有不同性能的超声换能器如发射型接受型以及 收发两用型等并且造价低廉性能稳定易于大规模使用 3 . 1 . 4 超声换能器的设计 本课题选用压电陶瓷来设计超声换能器出于对安装使用的简便和成本上的考 虑我们使用收发一体式的超声换能器换能器的基本结构25如图 3-1 所示它用来 发射和接收超声波由压电晶片匹配层密封层吸声块等组成可发射和接收纵 波 图 3-1 超声波换能器结构 压电陶瓷 压电陶瓷为圆板形压电多晶体材料其两面敷有银层作为导电的极 板当把一定频率和功率的交流信号加到两个电极以后压电陶瓷片的厚度将随着交 变电场的变化频率而变化由于压电陶瓷是一个弹性体因此存在谐振频率当交变 电场的频率等于谐振频率时压电陶瓷就产生机械谐振谐振时振子的振幅最大弹 性能量也最大此时相对于外部介质而言这种结构就变成了一个产生活塞振动的简 单声源晶体的等效电阻与厚度的平方成正比频率与厚度成反比因此选择适当 厚度和激励电压非常重要若厚度太大则需要的激励电压就很高否则发出的超声 信号太弱以至于难以被检测厚度过低的话频率太高对于以基于单片机的控制 16 电路来说不太有利同时晶体又容易被击穿而损坏我们选用的晶体厚度在 5 毫米左 右激励电压在数百伏左右 匹配层 选用的 5mm 厚度的晶体的固有频率在 1mhz 以上为了达到我们需要 的工作频率 50khz26需要设计匹配层与晶体匹配以降低谐振频率匹配层除了可 以降低晶体的谐振频率外同时也可以起到保护膜的作用避免晶片与工作环境直接 接触而损坏晶片匹配层的厚度为二分之一波长的整数倍此时声波穿透率最大匹 配层的材料性质要注意声阻抗的匹配晶片与匹配层采用粘合的方式粘合层应尽可 能的薄不得渗入空气经过多次试验我们采用汽车用膏灰调配硬化而成符合我 们需要的匹配和保护晶体的作用粘合剂的配方为 环氧树脂二乙烯三胺邻苯二甲酸二丁酯 = 100810 粘合后加一定压力放置 24 小时再在 6080温度下烘干 4 小时 吸声块 当同一换能器既用来发射声波又用来接收回波时就会存在着盲区由 于发射信号有一定的持续时间同时在交变电压停止后晶体也会由于惯性存在一定 时间的持续阻尼振荡如果两个换能器距离太近在发射信号或是振荡信号尚未完全 衰减完之前接收信号就有可能到来它将淹没在发射信号之内以至于无法辨别 此时可以将发射脉冲的持续时间缩短但是脉冲变短可能使信号强度变弱 不利于接收此时可以在探头上采取措施在压电晶片的背后加上吸声块其作用 为降低晶片的机械品质因数使得向背后发射的能量都被吸声块所吸收吸声块要 具备两个条件首先声阻抗应和晶片的声阻抗相近其次衰减系数要大我们 使用适当粒度的钨粉和环氧树脂等来调配成一定声阻抗并有强烈散射衰减的吸声 块 密封层 密封层是为了防止有强烈腐蚀性流体对晶体的腐蚀在匹配层不能起 到完全保护晶片的作用时密封层就非常重要由于换能器的安装方式可能为管道 内壁安装如果被测气介质含有腐蚀性成分将大大降低晶片的使用寿命因此必 须在晶体周围添加密封层使得气介质尽可能不渗入探头体内而腐蚀晶体我们使 用不添加硬化剂的环氧树脂等来作为密封层 换能器的等效电路 根据高频交流电路理论压电陶瓷的等效阻抗随频率而变 17 化的曲线与 l c 串并联谐振回路的阻抗特性完全相似也就是说在谐振频率附近l c 串并联谐振回路的阻抗特性与压电陶瓷的等效阻抗特性和谐振特性一致因此压电 陶瓷的等效电路27可以如图 3 - 2所示根据谐振理论压电陶瓷振子在最小阻抗频 率 f m附近存在一个使信号电压与电流同相位的频率这个频率就是压电陶瓷振子 的谐振频率此时通过的电流最大即其等效阻抗最小导纳最大我们将采用 此频率作为工作频率在此种频率的交变电压的作用下可以测出换能器的等效电 阻如图 3 - 3 用示波器记录下未并联可调电阻时交变电压的有效值 v 当并联上可 调电阻后调节电阻值使示波器测得的交变电压有效值为 v / 2 此时可近似认为 电阻值等于换能器的等效电阻 图 3 - 2 压电陶瓷等效电路图 图 3 - 3 测量换能器等效电阻 波形分析 对超身换能器采得的信号进行分析是本仪表设计的基础 在压电效 应的作用下处于发射状态的探头将发出和激励电压频率一致的超声波束处于接 收状态的探头将输出一连串和固有频率一致的正弦波因此应该使激励电压频率 与两个探头的固有频率尽可能的一致这样才能使需要采样的信号波形达到最强和 不变形 图 3 - 4 为激励电压频率探头频率一致的情况下采样信号波形图在此种情形 下波形均匀频率稳定是典型的阻尼振荡 图 3 - 5为激励电压频率和探头频率不一致的情况下的波形前面几个波形由于 18 受迫频率和激励频率一致在激励电压停止后中间段发生严重的波形畸变后 面的波形则由于自振荡也和探头固有频率一致在此情形下对于检测是非常不 利的 对于图 3 - 4的波形来说虽然频率稳定但是由于超声波在气体中的衰减非常 大且随着被测管道内气流的变动波形的峰值跳动也非常频繁和严重特别是对 于头两个波形假设我们以第二个波形为检测波当其峰值跳到检测门槛电压之下 此时将会检测到第三个波形上从而带来一个波形周期的误差这个误差是相当大 的如果降低检测门槛电压值则可能检测到第一个波形或是噪声电压 因此如何得到更为理想的检测波形显得非常重要我们考虑的方案有两种一是 提高接收电路的增益虽然噪声电压同时被放大但是采用超低噪声的运放和改进电 路的设计是可能实现高信噪比的二是从发射电路入手设计一优良的激励电路使 发射功率足够强劲发射换能器产生足够强的超声波接收换能器也可以得到更为优 质的信号综合比较之下第一种方法中超低噪声的集成运放价格昂贵对于控制成 本不利而第二种方案是相对容易实现和比较经济的如图 3-6经过全新设计的发 射电路在实际测试时的得到的采样信号波形第二个波形即达到满峰值以上测量中 亦非常稳定这样对于检测来说非常理想了 19 3 . 2 流量变送器硬件设计 3 . 2 . 1 超声驱动电路的设计 超声波换能器要把电能转变为超声波能量 必须对其提供超声频率的交流信号 产生这种信号的电路叫超声驱动电路28,29或是激励电路超声信号驱动电路的形 式很多有自激式振荡器他激式振荡器自跟踪锁相环振荡电路等 超声驱动激励电路好比是这台仪表的心脏必须提供足够的能量给换能器 所以激励电压应该较大但电压不能大于换能器压电晶体的激化电压否则会使晶 体产生反激化而损坏失去压电效应在允许的范围内晶体产生的超声波强度是 随着激励电压的增大而增强的 推挽电路 要产生数百伏甚至上千伏超声频率交流信号 常用的方法是将所需强 度的直流电压直接负载在大功率 f e t上通过控制 f e t的开关从而得到一定频率 的交流信号这种方法的好处是可以提供很大的能量给换能器同时开关速度快 可以产生很高频率的激励电压缺点是由于高电压直接接入电路导致保护电路的 设计相当复杂我们所使用换能器的工作频率是 5 0 k h z 同时通过测量它的等效 电阻在 9 0 0 左右以激励电压 6 0 0 v为例瞬时功率虽然高到 4 0 0 w , 但每秒钟的平 均功率却仅为 0 . 0 1 w 因此并不需要持续电路持续大能量的供给因此这里我们 采用了晶体管多级推挽电路30的方法如图 3 - 7 图 3 - 7 推挽电路原理图 b g 2 与 b g 4 b g 3 与 b g 5 分别为大功率高速率 n p n 和 p n p 晶体管b g 1 为高速晶 20 体管基极控制端接单片机引脚当单片机引脚输出低电平时晶体管 b g 1截止 b g 2 b g 3导通电容 c 1对电容 c 2充电当单片机引脚输出高电平时晶体管 b g 1 导通b g 2 b g 3截止+ 3 6 v 电源对 c 1充电电容 c 2 通过 b g 4 b g 5 放电如果单 片机引脚以 5 0 k h z的频率交替输出高低电平将在变压器 t的初级线圈形成 5 0 k h z 的交变的电压选择合适的升压变压器将产生适合激励探头的高压这样通过单 片机控制多级推挽电路发出低压激励信号然后经过变压器升压到所需的高的电 压由于变压器的隔离作用将使使保护电路的设计大大简化 变压器 变压器为驱动电路中重要的一环经过多次试验我们选用了磁环变 压器初级线圈为 0 . 3 m m 的漆包铜线绕制匝数为 4 0 次级线圈为 0 . 1 m m 的漆包铜 线绕制, 匝数为 6 0 0 初级次级匝数比为 1 1 5 这样升压后的交变电压峰值在 5 0 0 v 左右通过换能器的瞬时电流约为 6 0 0 m a 初级线圈电流约为 9 a 贮能电容 c 1 电容 c 1 为换能器提供能量用应该根据实际需要选取足够大的容 量否则在工作时可能因为功率不够而导致电压无法升高 以工作频率 5 0 k h z 来计算因为初级线圈内需要的电流为 9 a 则在一个周期内 所需的电荷为q = i t = 9 1 / 5 0 0 0 0 1 / 2 = 0 . 0 0 0 0 9 库 电容 c 1的容量大小约为c = q / u = 0 . 0 0 0 0 9 / 3 6 = 2 . 5 f 因此要选用 1 0 f以上 的电容方可满足使用要求 保护电容 c 2 电容 c 2 为保护推挽电路用如果晶体管 b g 1 损坏而短路则 b g 2 b g 3始终处于饱和导通状态由于 c 2的隔离作用保证 b g 2 b g 3不会因长时间大 电流导通而损坏 脉冲个数 驱动换能器的矩形波是以组的方式来发射的每次每组中包含的脉 冲个数是要考虑的脉冲数量多有不少优点首先较长时间的同一频率的等幅振 荡频谱较纯做精确测量时测得的数据可以认为是同一频率的数据其次脉冲 能量大在气介质中传播较长的距离后接收波的第一周期可能衰减到很小由于 叠加的后果从第二周期起有一段振幅较大的等幅不符易于分辨检测但是脉冲 数量越多盲区就越大一般的文献中是建议取 4 8 个脉冲但是根据实际试验和 计算我们取每组 4 个脉冲 21 3 . 2 . 2 超声接收电路 超声波接收电路的作用就是将接收换能器输出的小信号经过充分放大而得到足 够大的信号以便推动后面的调理和控制电路由于我们使用的是收发一体的换能 器因此除了放大信号外还要在换能器发射声波时对放大电路进行保护 接收器接收到的信号是脉冲信号脉冲放大电路的参数需要仔细考虑第一 脉冲放大电路与换能器之间的匹配应满足最佳匹配要求使接收灵敏度最高第二 希望接收的脉冲信号不失真因此放大器的带宽不应太窄对 5 0 k h z的发射脉冲来 说运算放大器至少应该有 1 0 0 k h z 以上的带宽同时还应有一定的下限以便截去 工业噪声第三因为超声换能器接收的信号是低于 m v 级所以放大器应有足够大 的增益尽量把有效信号放大同时信号的动态范围很大还要考虑到这个大的增 益会不会使放大器饱和而无法工作第四因为电路噪声无法避免因此必须采用 低噪声高速运放否则噪声电压会被一起放大将得不到正确的采样信号给检测 带来困难 图 3 - 8 为接收放大电路原理图 图 3 - 8 接收放大电路 d 1 d 2 为一对 4 0 0 7 作用非常重要在换能器作为发射用时将集成运放输入 端的电压钳制在最大的 0 . 7 v 对放大电路起到保护作用电阻 r 1在换能器发射用 时起限流作用需要较大额定功率 在换能器做接收用时收到的信号一般是 m v级甚至低于 m v级的信号将通过 电阻 r 1 r 2 来分配设信号电压值为 v 则运放输入端的电压值为 v r 2 / ( r 1 + r 2 ) 22 因此要选取合适 r 1 r 2 来匹配放大电路在此我们选取 r 1 的阻值为 3 k r 2 的阻值 为 1 0 k可调设计成增益可调在管道直径较小时信号较强可以减小增益以减小 噪声 集成运放 运放是接收放大电路的核心高速高增益高带宽同时超低噪声是 选取它的基本条件我们选取的op37是一款低噪声高速高精度运算放大器带宽 达到4