（控制理论与控制工程专业论文）智能超低功耗超声热量表的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 目前国内市场上的热量表产品，其流量测量部件多采用叶轮结构，这种结构 对水质要求较高，叶轮材质及结构受温度影响大，并且对于户用小流量流体测量 精度不高。针对这些缺点，研制了以超声波流量测量为原理的低功耗超声式热量 表。从世界范围内看，低功耗超声热量表也是供热系统未来发展需求。 本文首先对超声波热量表的研究背景和意义以及国内外研究现状等进行了 综述性介绍，并对目前热量表亟待解决的难题和主要研究内容作了介绍。 其次，在深入探讨现代超声检测技术的基础上，本文采用了固定短管式z 式 超声探头配置方式，插入型管道安装。提出了超声多次连续低压脉冲激发，磁环 滤波技术极大地降低了超声处理功耗，为系统整体低功耗设计有着巨大贡献。同 时突破以往的回波处理技术，设计了全新的不对称r c 构成的双t 选频滤波网络放 大器作为自动增益放大器，保证了在回波信号不失真的情况下有效地滤除干扰信 号，放大微弱回波信号。对于回波工作点的确定，提出了基于多脉冲测量法的计 数一搜索算法，保证了回波准确无误的判断，大大提高了时差计量精度，进而提 高了流量检测精度。对于超声波的时差法，设计出独特的充放电电路间接测量方 案，解决了小管径、低流速情况下计数器计时精度问题。文中也对超声流量测量 误差做了理论上的分析。 第三，本文提出了类一算法，结合单片机自带的内部比较器实现了高精 度模数转换。这种方法具有电路结构简洁、成本低、温度测量实时性好、稳定性 好、精度高等优点。 第四，通过对现有的热量算法分析，考虑到比热容c 和载热流体密度p 都是 与温度和压力相关的函数，本文在改进的算法中将这两个参量作为温度的变量考 虑，采用查表法计算，该算法比较简单，避免了对温度和密度进行复杂的数学校 正。并且，对于实测温度，采用线性插值法，通过与其距离最近的点计算相应的 焓值，从而得出该时刻消耗的热量，保证测量精度。 第五，详细阐述了系统控制器设计过程，选用低功耗单片机m s p 4 3 0 f 4 4 8 开发 超声热量表的电子控制单元，完成硬件电路和软件设计，实现了超声热量表的高 度智能化和超低功耗。 最后，对实验数据作了记录并进行了分析，基本满足设计要求。本超声热量 山东大学硕士学位论文 。_ 一 表经过实际检测，待机电流小于1 5ua ，活动电流不超过3 0ua ，基本实现低功 耗，可以保证3 6 v 锂电池供电8 年的目标。按热量表检定规程c 儿2 8 2 0 0 0 进行检 测，各项指标均达到2 级精度要求。 关键字：超声波，双t 选频网络，多脉冲测量法，类一算法，低功耗。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r ev a r i o u sh e a tm e t e rp r o d u c t si nh o m em a r k e tt o d a y m o s to ft h e mu s e i m p e l l e rf l o ws e n s o ra sf l o wm e a s u r e m e n tu n i t ，w h i c hn e e dg o o dw a t e rs u p p l yq u a l i t y t h em a t e r i a la n ds t r u c t u r eo fi m p e l l e rc a nb ei n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r et oag r e a t e x t e n t ，a n du l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sl o wf o rad o m e s t i cl o wf l o w v e l o c i t ya p p l i c a t i o n c o n s i d e r i n gt h e s es h o r t c o m i n g s ，al o wp o w e rc o n s u m p t i o n u l t r a s o n i ch e a tm e t e rb a s e do nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n tf u n c t i o ni sd e s i g n e d l o o k i n ga tt h et e n d e n c yo fi n t e r n a t i o n a lh e a tm e t e rd e v e l o p m e n t ，t h ed e m a n df o r u l t r a s o n i ch e a tm e t e ri si n c r e a s i n gr a p i d l y a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n do fs t u d y ，m e a n i n ga n dt h ec u r r e n ts t u d ys i t u a t i o nb o t ha t h o m ea n da b r o a de t c o nu 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 t p r o b l e m su r g e n t l yt ob es o l v e da n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t sh a v et h es u r v e yi n t r o d u c e s t ot h eh e a tm e t e ra tp r e s e n t s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fp r o b i n gi n t om o d e mu l t r a s o n i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e t h o r o u g h l y ，an e wi n s e r tt y p eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri sd e s i g n e d ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s a r ei n s t a l l e dw i t hf i x e d s h o r tp i p ezm o d e t r a n s d u c e ri ss t i m u l a t e db yl o t so f c o n t i n u o u sl o wp r e s s u r e p u l s e s p o w e ri se n o r m o u s l yr e d u c e db yt h e f i l t e ro f m a g n e t i s ml i n k ，a n dt h e nt h e r ei st r e m e n d o u sc o n t r i b u t i o nf o rt h el o w p o w e ro ft h e w h o l es y s t e m a st h es a m et i m e ，t h ef o r m e re c h op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sb r o k e n t h r o u g h ，b r a n d n e wa s y m m e t r i cr cc o n s t i t u t i o nd o u b l etc h o o s i n gt h ef r e q u e n c y f i l t e rn e t w o r ka m p l i f i e ri sd e s i g n e da sa u t o m a t i c a l l yi n c r e a s e dt h ea m p l i f i e r i nt h e s i t u a t i o no fe c h on o td i s t o r t e d ，t h eu n w a n t e ds i g n a li sf i l t e r e de f f e c t i v e l ya n de c h oi s a m p l i f i e d a f t e re c h op r o c e s s i n g ，e c h oo p e r a t i n gp o i n ti sc o n f i r m e db yc o u n t sa n d s e a r c ha l g o r i t h mf r o mt h em u l t i p u l s e sm e a s u r i n gt e c h n i q u e t h ej u d g m e n to fe e h oi s u n m i s t a k a b l e ，t h ea c c u r a c yo ft i m ed i f f e r e n c em e a s u r i n gi si n c r e a s e dg r e a t l y ，a n dt h e n p r e c i s i o no ff l o wi si n c r e a s e d t h eu n i q u es u f f i c i e n tc h a r g ee l e c t r i cd i s c h a r g ec i r c u i t i sd e s i g n e dt om e a s u r et h et i m ed i f f e r e n c eo fu l t r a s o n i cw a v e ，w h i c hi sag o o d s o l u t i o nf o rs m a l ld i a m e t e rp i p ea n dl o wf l o wv e l o c i t ya p p l i c a t i o n i nt h ea r t i c l e ，t h e e r r o ro f u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ti sm a d et h ea n a l y s i st h e o r e t i c a l l yt o o 3 山东大学硕士学位论文 t h i r d ，t h et h e o r yo fh o m em a d e 一a l g o r i t h r nb a s e do ni n t e m a lc o m p a r a t o ri s r e a l i z e da sh i g ha c c u r a c ya dc o n v e r s i o n f o rt h i sm e t h o d ，e l e c t r i cc i r c u i ti ss u c c i n c t a n ds t a b l e ，t h ec o s ti sl o w , t h et i m e l i n e s so ft e m p e r a t u r es u r v e yi sg o o d ，a n dt h e p r e c i s i o ni sh i g h e r f o u r t h ，b ya n a l y z i n gt h ee x i s t i n gt h e r m a la l g o r i t h m ，a n dc o n s i d e r i n gt h a th e a t c a p a c i t y ca n dt h ed e n s i t y po ff l o wv o l u m et r a n s m i t t i n gh e a t a r ea l lf u n c t i o n c o r r e l a t e dw i t ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，i nt h ei m p r o v e m e n ta l g o r i t h mt h e s et w o v a r i a b l e sa r ec o n s i d e r e da st h ev a r i a b l eo f t e m p e r a t u r e ，a n da r ec a l c u l a t e db yc h e c k i n g f o r m s t h i sa l g o r i t h mi ss i m p l e r , a v o i dc a r r y i n go nc o m p l i c a t e dm a t h e m a t i c sa n d c o r r e c tt o t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t y a n d f o rs u r v e y i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh e a ti s o b t a i n e dt h a ts h o u l db ec o n s u m e dc o n s t a n t l yb ya d o p t i n gt h el a wo fl i n e a ri n s e r t i n g v a l u e ，a n dc a l c u l a t i n gc o r r e s p o n d i n ge n t h a l p yv a l u ew i t hi t sc l o s e s tp o i n t ，s ot h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ng e t st h ea s s u r a n c e t h ef i f t h ，t h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e m a t i cc o n t r o l l e rh a sb e e ne x p l a i n e di n d e t a i l m i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 4 4 8i s t h ec o r eo fu l t r a s o n i ch e a tm e t e r t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so f t h i si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts y s t e ma r ea c c o m p l i s h e d a n dt h eh i g h l yi n t e l l i g e n ta n du l t r a - l o wc o n s u m p t i o no ft h eu l t r a s o n i ch e a tm e t e r h a v eb e e nr e a l i z e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e nn o t e dd o w na n da n a l y z e d t h ed e s i g n r e q u i r e m e n ti sm e tb a s i c a l l y b ym e a s u r i n gt h eu l t r a s o n i c h e a tm e t e ra c t u a l l y ，i t s e l e c t r i cc u r r e n td o w ni ss m a l l e rt h a n1 5 9 a ，a n dt h ew o r k i n ge l e c t r i c a lc u r r e n td o e s n o te x c e e d3 0 9 a t h el o wc o n s u m p t i o nh a sb e e nr e a l i z e db a s i c a l l y ，a n d3 6 vl i t h i u m b a t t e r yc a nr e a c ht ot h eg o a lo fs u p p l y i n gp o w e rf o r8y e a r s a c c o r d i n gt oh e a tf o r m r u l e sc j l 2 8 2 0 0 0m e a s u r e m e n t ，e v e r yi n d e xm e e t sr e q u i r e m e n t sf o rp r e c i s i o no f2 g r a d e s k e y w o r d ：u l t r a s o n i cw a v e ，d o u b l etc h o o s i n gt h ef r e q u e n c yf i l t e rn e t w o r k ， m u l t i - p u l s e sm e a s u r i n gt e c h n i q u e ，s i m i l a r ) f 一a l g o r i t h m ，l o wp o w e r 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么互垦塞日期： 加、l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 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 授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：捌选导师 山东大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 超声热量表研究背景及意义 热量表是测量、计算、并显示热交换系统所释放或吸收的热量量值的仪表。 在我国，是实施城市供热体制改革，推行按热量计量收费的关键设备。 当前，我国城市供热行业形势严峻，能源浪费严重、采暖费收缴困难已成为 影响其生存和发展的两大难题。因此，对供热收费体制和采暖系统进行彻底改革， 实现按表分户计量收费已是势在必行。根据我国建设部1 9 9 5 年发布的建筑节能 “九五”计划和2 0 1 0 年规划，我国住宅集中供热系统到2 0 1 0 年将全面实行分户 计量和收费制度，相关技术工作被列为今后研究开发的主要内容。根据发达国家 经验，采取分户计量收费措施可节能2 0 3 4 【l l 。但是，目前国内供热单位没有 对各个用户使用的热量进行有效和精确的测量和计费，这在一定程度上造成资源 的极大浪费。在水、电、煤气计费系统日益普及的今天，按户对热量消耗计量收 费可使热费的收取更趋合理，但必须要使用专门的热量表对热量进行准确的计 量。因此，其相关技术的准备工作至关重要。 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数字机械式结 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。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1 2 j 。相比之下，本文所 研究的超声热量表将超声流量传感器和温度传感器相结合构成户用型热量表，克 服了上述困难，且对水质要求较低，不易损坏，使用寿命长。因此在供热计量领 域有更加广阔的应用前景。 1 2 热量表国内外发展状况 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，而电子式热表也经历了从模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基 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 的标准文件：“o i m l r 7 5 号国际建议( i n t e r n a t i o n a lr e c o m m e n d a t i o n ) 热量表 ( h e a t m e t e r s ) ”【3 】o 直到九十年代，户用热量表基本定型，设计趋于一致。1 9 9 7 山东大学硕士学位论文 年4 月，欧洲共同体正式通过的统一热量表标准代号为e n l 4 3 4 。 国外，虽然早在七十年代就实行了分户用热计量收费，但由于实施中困难较 多，至今包括西欧、北欧的一些国家在内，安装户内热量表的比例仍不高。除德 国己达n 7 5 一8 0 夕b ，法国安装户内热量表的用户不n 3 0 ，波兰1 5 一2 0 ，捷克 只有2 一7 ，其余大部分都是在单元进口安装热量表，计算该单元总用热量，然 后按户分摊。分摊的方法或是安装热分配表或是按面积分摊【4 】。 目前国外用户热量表的形式有带开关控制的热量表：有单片机组成显示功能 较多的热量表和由专用电路为主组成的能显示温度和流量的热量表。从结构形式 看，有将热水表与热量表合在一起的一体式结构和热水表与热量表分离的分体式 结构。国外厂家生产的热量表大多是一体式，用电池驱动，结构紧凑，功能较多。 热量表中包含一对温度传感器，对于温度传感器，国内一些厂家为了单纯的降低 成本，采用半导体热敏电阻测温，但由于它对温度量程和时间的稳定性很差，根 本无法满足长期温度测量的精度要求。因此国内厂家也逐步改进，将国际上普遍 采用的铂薄膜热电阻p t l 0 0 、p t 5 0 0 、p t l 0 0 0 ( 数字表示0 c 时的电阻值) 作为温度 传感器。 热量表所带流量计因其流量测量的原理不同而有多种形式。目前，欧洲使用 最多的流量计是机械式，机械式流量计在欧洲已有几十年的制造和使用历史。最 近几年，国外又开发和应用了超声波流量计。从热量表市场来看，机械式热量表 呈下降趋势，超声热量表则在逐年上升。据统计，1 9 9 6 年两者份额分别是9 0 和 1 0 ，1 9 9 9 年为8 0 和2 0 ，2 0 0 0 年达到7 0 对3 0 。欧洲有生产热量表的厂家1 5 2 0 家，其中多数生产机械式流量计热量表，而生产超声波流量计热量表的只有3 ，4 家。其中的k a m s t r u p 公司1 9 9 6 年生产超声波流量计热量表2 万块，到1 9 9 9 年就猛 增至1 0 万块p j 。 据国外专家介绍，波兰开始热量计量时全部使用带机械式流量计的热量表， 出于陆续出现问题，现正逐步更换成带超声波流量计的热量表。而后来进行热计 量改造的罗马尼亚、斯洛文尼亚从一开始就采用超声波流量计热量表。在丹麦， 尽管政府很重视供热水质，但机械式流量计也只能运行5 年左右就要更换。在欧 洲，机械式流量计损坏后，有5 0 仍更换为机械式，其原因是为迁就原来的热量 积算仪；另夕b 5 0 n 更换成超声波热量表【6 】。 山东大学硕士学位论文 在国内，实行热表计费的区域几乎全部使用的是机械式流量计，而超声热量 表还在开发和起步过程中。因此，超声热量表迎来了一个很好的发展契机。 1 3 主要研究任务 1 3 1 超声热量表亟待完善之处 现有的超声波热量表产品多是应用于大流量的测量，具有精度不够高、耗能 大等缺点，技术尚待改进提高【7 】。客观评价中国的热量表与进口表，技术水平存 在相当大的差距；目前应该说还处于尚未成熟的研发和试生产的阶段。 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。欧洲现在的热量表己趋向于选用超声波流量计作为主流产品， 精度较高，特别是对恶劣水质有较好的适用性。进入中国的机械式热量表流量计 绝大部分也采用了无磁传感技术。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；微功耗的超声传感技术尚在研发 阶段。 温度部分测量外围电路过于复杂，无形中增加了产品的制造成本。在保证测 温精度的情况下，设计一个简单的测温电路是现阶段努力的方向。本设计在这方 面取得了很大进步。 另外，目前许多种类的热量表功耗比较大，特别是无法适用于电池供电的场 合。本文所使用的测量方法使换能器工作时耗电量很少，同时所用的低电压微控 制器m s p 4 3 0 芯片就是近期推出的低功耗毫安级芯片，支持多种低功耗及休眠模 式，这为热量表的低功耗设计提供足够的技术保障。 1 3 2 主要工作内容 热量表是通过流量和温度两种传感器，在分别测得热载体的流量和供暖系统 进、出口的温度的基础上，经过密度和热焓值的补偿及积分计算，而取得热量值 的。是一种以流量与温度两种传感器和微处理器为基础的机电一体智能化仪表， 它可以显示瞬时流量、累计流量、累计热量以及进口温度和出口温度。本课题的 目的是设计分户计量供热系统中专用超声波热量表，使其既能克服接触式流量计 的种种弊端，又能最大程度地节约成本，同时满足供热系统小管径、低流速实际 情况的技术要求。基于难度和可实现性两方面因素的考虑，本论文选用时差法作 山东大学硕士学位论文 为测量流量原理来设计方案，并遵循循序渐进、打好基础的原则，对单声路系统 进行实验研究。温度检测通过采用片内自带的比较器，采用类一技术来现实 精确测量。具体研究内容如下： ( 1 ) 超声换能器相关应用理论研究； ( 2 ) 超声波发射接收电路设计及回波处理测量电路设计； ( 3 ) 时差法流量误差分析； ( 4 ) 探索对流量系数进行修正的新方法； ( 5 ) m s p 4 3 0 单片机自带比较器实现a d 算法的研究； ( 6 ) 测温电路的设计及改进： ( 7 ) 热量计量算法的改进： ( 8 ) 单片机系统的低功耗、智能化研究。 1 3 3 超声热量表功能实现 普通热量表的原理框图如图1 1 所示，它主要由单片机、流量计和温度传感 器三部分组成【引。 照 片 机 图卜1 热量表原理框图 超声波流量传感器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；单片机是热量表的核心，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。 山东大学硕士学位论文 第二章：流量检测技术研究 2 1 超声热量表的流量传感器 目前，在非电量电测技术中，用于流量测量的传感器种类很多，有机械式、 电阻式、磁电式、光电式等，这些方法一般适用于测量流量较大、精度要求不高， 成本较低的场合。而在测量精度要求很高的情况下，则多采用超声波传感器。利 用超声技术进行流量检测因具有优于其他流量检测计的优点( 如可进行非接触测 量，测量精度高等) ，在测量仪表中占有重要地位，得到了广泛的应用。 2 1 1 超声换能器的结构及工作原理 超声波换能器又称超声波传感器、超声波探头，主要由压电晶片组成【9 】。其 工作原理是基于晶体的压电效应及逆压电效应。有些单晶体和多晶陶瓷材料受到 应力能在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这些材料称为压电材料。电 能转换成超声波能量是利用逆压电效应原理，而接收超声波使之提供电信号则是 利用压电效应的原理。超声波换能器根据其结构不同，可以分为直探头( 发射和 接收纵波) 、斜探头( 发射和接收横波) 、表面波探头等几种。在本课题的设计中， 我们选用直探头作为超声波换能器，其结构如图2 一l 所示，把两片压电元件紧密 贴在一起组成双形态振荡器，以获得较大的输出。 锥形共振盘 图2 1 超声波换能器结构 发射部件和接收部件在结 南。士 构上稍有差别，发射部件在压 电元件上设有锥形共振盘，可 以提高发射效率。接收部件设 有匹配器，用来提高接收效率。 为保证声能损失小、方向性强， 必须把压电晶片封装在声楔之中，声楔材料应有良好的透声性能。传统的声楔材 料由塑料制成，性能不稳定，寿命短。采用新材料钢化陶瓷，提高了传感器的抗 磨损、抗腐蚀性能，且易与压电陶瓷粘结。在粘结剂的使用上，采用金属合金粉 末代替传统的有机粘结剂，使整个换能器各个部分膨胀系数基本一致，提高了整 体性能，延长了使用寿命。 豸 山东大学硕士学位论文 2 1 2 换能器在管道上的安装及配置方式 超声波换能器在管道上的安装方式有三种形式 i o ：( 1 ) 管外安装型，即夹装 型。测量结果受到温度变化的影响，对大管径，总传播时间较长，由于温度引起 的相对变化较小，可忽略不计；而对小管径，影响就显著，一般来说，对管径8 0 0 r a m 以下采用管外安装型换能器，精度就要降低为士1 5 。( 2 ) 管道型。换能器直接 与被测液体接触以避免通过管壁声速变化的影响以及管壁内折射造成波形失真 的影响，对管径3 0 0 m m 以下的管道往往采取这种结构，精确度可达1 。对小管径 管道，因为超声波斜穿管道的传播时间极小，可以采用多次反射以增大超声传播 的距离。( 3 ) 插入型。换能器需破坏管道，优点是直接进入流体中，可以避免因 管壁引起的声速的温度误差以及避免声波穿过管壁时的波形失真。依据系统要 求，设计采用了插入型安装。 系统超声波换能器在管道上的配置方式采用了z 式，如图2 2 所示。z 式是 图2 - 2z 式配置 最常用的方式，即单声道，装置简单，适用于有足够长的直管道，流速分布为管 道对称的场合，用z 式可以采用流体力学修正系数高精度地测量流量。 2 2 时差法超声测流量 2 2 1 时差法超声测流量的基本原理 超声波检测技术主要是利用某些介质的声学特性( 如声速、声衰减和声阻抗 等) 来测量的。不管哪一种超声波仪器，都必须把超声波发射出去，然后再把超 声波接收回来，变换成电信号，完成这一部分工作的装置，就是超声波传感器。 习惯上，把这个发射部分和接收部分均称为超声波换能器，有时也称为超声波探 头。通常把发射和接收传感器做成完全相同的材质和结构，可以互换使用或进行 双向收发。对声速的测量有几种方法，如脉冲法、传播时间法、相位比较法等。 超声波流量计就是基于超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关这一 山东大学硕士学位论文 原理制成的。本文采用的是时差法，超声波在流动的流体中，顺流方向声波传播 速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用其差与 被测流体流速之间的关系便可求的流速，进而换算成流量】。 图2 2 中a 、b 为固定在管壁上的相距为l 的超声波传感器。当a 作为发射 端，b 作为接收端时，可测得超声波顺流传播时间；当b 作为发射端，a 作为接 收端时，可测得逆流传播时间。设c 为超声波在静止液体中的传播速度，v 为液 体的流动速度，0 为超声波的入射角。nj q 页, 流时超声波传播时间1 2 】： r f ：兰一 ( 2 - 1 ) c + v s i n 0 逆流时超声波传播时间： r t ，= 一 ( 2 - 2 ) c v s i n 0 其中： l 一两换能器间距 c 一声波在静止流体中的传播速度 v 一流体沿管道轴向的速度 口一声速进入流体介质的折射角 顺、逆流时间差： a t = f ，一r ：；! 圭竺 ( 2 3 ) c2 一v 2s i n2 0 、“。 由于在液体中超声波的传播速度c ( 水中约为1 5 0 0 m s ) 是非常大的，c 2 远 远大于v 2s i n2 臼，故式( 2 3 ) 可写为： a t ：2 l v s i n 0( 2 一- 4 ) = _ = 一 l j c 于是，知道了l 、c 、目，通过测时间差就可以求得流速v 。但是，这种方法 的问题是必须知道声音在流体中的速度c ，而声速是流体温度的函数，为了消除 浚项的影响可以采取以下方法。 取顺逆流方向声传播时间和为： ，+ t ，：塾( 2 一一5 )，+ ，= ( 一b ) 山东大学硕士学位论文 取f 0 = o l + 必肌 f 。：一l ( 2 6 ) f o = 一 l z bj 带入( 2 4 ) 式得： v ：墨：! 竺( 2 7 ) v = _ = 一 l 一j 2 t o s l n 0 声道上测得的流体流速v 是线平均流速，而所需测量的是面平均流速；，两 者e e 值k = ，称为流量修正系数。因此体积流量公式为： 0 ：月- l 2c o s 2 兰 其中型墨芋! 是管道横截面积。即： 9 = 堂8 k s i n 0 睾s ， 。 2 以管道直径d 表示为： p ：丝：1 a t ( 2 9 ) 。4 k s i n 2 0 “2 由上式可知，流量计测量的关键就是时间的测量。 2 2 2 时差法超声波流量测量的特点 1 不仅对导电的介质，而且对不导电的介质实现无压损测量。 2 组成简单，主要有换能器和电子电路构成。 3 测量不受压力、密度、粘度等参数的影响，输出特性线性范围宽。 4 采用多声道测量，可在较短的直管道条件下获得较高的测量精度，可测正反 两方向流。 5 无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。 6 电子电路部分采用微处理器，可进行各种补偿和运算。 7 灵密度高，可检测到流速的微小变化。 由于时差法超声测流量具有许多突出优点，所以它具有强大的生命力。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 时差法超声流量检测在系统中的应用 在时间传播法公式中，时差f 一般利用计数得到，a t = n t 。( f 。为计数器计 数脉冲的周期) 。但是，对于像发电机定子线棒引水管这样较细的管子来说，有 以下难点：1 ) 引出管的管径小，内径仅1 5 m m ，传播时间短，利用一般的方法很 难检测到时差f ：2 ) 冷却水的流速低，般为1 5 m s ，( 水中声速1 4 8 0 m s ) ，顺 逆流流速变化不到1 ，而整机误差要求为1 ，难以实现。针对类似的小口径、 低流速系统，不能采用一般的测量时间的方法。例如上述系统，其顺流和逆流的 时间差只有2 0 n s ，如用5 0 m h z 的时钟脉冲计数，计数器的计数值只相差l 。如 果仅仅靠提高时钟脉冲的频率，显然不可耿，因为时钟脉冲频率越高，计数电路 和时钟电路的实现越难。为解决这一矛盾，我们采用了间接的时间计量方法实现 tj i i 页逆流时间的精确计时理论，误差可以达到o 2 5 n s ，因为涉及到技术保密问题， 在此不作论文内容加以介绍。 测量时间差的原理是，首先单片机的i o 口输出周期性方波信号，控制窄脉 冲的发生，激励换能器t 1 发射超声波，超声波顺流传播，当换能器t 2 接收到超声 脉冲信号后将其转换为电脉冲信号输出，电信号经过放大滤波电路进入单片机的 比较器，触发单片机内部定时计数器发生捕获，捕获的计数值便是超声波从发 射到接收的时间。然后，单片机控制发射接收转换开关，将两换能器功能互换， t 2 发射，t 1 接收，同样，所得计数值为逆流发射时间。最后顺逆流时间相减得到 时间差，如图2 3 所示。 1一。1。+。一 转 发 p 换 射 开 驱 动 关 。 图2 - 3 超声流量测量原理框图 山东大学硕士学位论文 控制超声发射和计数的单片机也是热量表的主控芯片，选用的是t i 公司生 产的m s p 4 3 0 f 4 4 8 。m s p 4 3 0 f 4 4 8 单片机时钟模块里加有f l l + ( 增强型锁频环) 技 术，在外部低频振荡器的驱动下能够获得很高的稳定频率。其内部定时计数器 可以选择这个高频信号作为时钟源，因此在测量时间计数时不用外接高频计数 器，使用内部计数器同样可以保证计数精度。 2 2 4 时差法超声测流量的误差分析 在流量测量公式( 2 9 ) 中，各参数都有可能引入误差，根据误差理论，误差 可分为系统误差与随机误差，两者各有不同处理方法。对超声流量计来说，系统 一旦安装完毕，各参数设定之后，各参数引入的误差也就确定。因此超声流量计 的误差主要为恒值系统误差，可以用恒值系统误差的处理方法来处理。因此超声 流量计的误差主要为恒值系统误差，可以用恒值系统误差的处理方法来处理。依 据误差理论，对于函数y = f ( x l ，x 2 ，x 。) ，当工l ，x 2 ，x 。个有恒值系差 缸，缸：，缸。，且各系差互不相关时，y 的误差为： a y = 砉善a x ， 协 如用相对误差表示则为： 旷喜善a x ，y ：笪兰垒二 惫a x ? yx i 其中 = 夤毛 ( 2 一1 1 ) s ，s ，分别为y 和_ 的相对误差。 鼻：篓兰为_ 的相对误差传递系数( 敏感度系数) 。 僦v 六的大小反映了测量误差对该参数误差的敏感程度，了解各参数的误差传递 系数并在理论上估算出其数值，对我们提高测量精度是很有用的。下面就依据该 山东大学硕士学位论文 理论来分析超声测流量各参数的误差传递特性【1 4 1 。 一、管道直径d 的影响 历o q o 卜7 z 。 d i 面3 1 r 0 2 础) a d a d4 k s i n 2 p “2 ：旦去f4ks i n 2 0 ，0 2 相对误差传递系数厶为： = 嚣号= ， 浯 可见，d 的相对误差传递系数为常数3 。显然d 越小，d 的相对误差越大致使测 量误差越大，因此时差法对使用管道尺寸没有上限要求而有下限要求。 二、流量修正系数k 的影响 o q o ii 7 r d 3 1 0 ko k4 ks i n 2 0f 0 2 叱f ，2 ：一望 和纂吾叫 可见，k 的相对误差传递系数为常数一1 ，由流体力学可知，流量修正系数k 取决于管道雷诺数足，而j i l 又取决于流体速度、流束定型尺寸及工作状态下流体 n n 等n n 。k 与堤的关系式视流体流动状态的不同而不同。当流体呈层流状态 时( l 2 3 0 0 ) ，k = 4 3 ；当流体呈紊流状态时( r 。1 0 5 ) ，其关系式可用下式表 示： k = l + 0 0 1 6 2 5 + 4 3 1 r 。”7 当流体流动状态介于层流于紊流之间时( 2 3 0 0 r 。1 0 5 ) 。可采用以下经验 公式： k = 1 1 1 9 一o 0 1 1 l g r 。 由表达式可知，k 值一般可精确到o 0 1 ，其相对误差约为o 5 ，由此引起的 山东大学硕士学位论文 流量相对误差约为0 5 ，该值远大于由其它误差引起的流量相对误差。在这里， 值得一提的是，以上k 的计算公式都是基于这样一种假设前提：即换能器的安装 起点前后有足够的直管段，否则以上公式就失去意义了。事实上，由于流速分布 规律的复杂性，特别是紊流状态下的流速分布规律，人们迄今还没有得到满意的 认识，因此如何得到比较精确的k 值是制约超声波流量计进一步提高测量精度的 关键问题之一。关于这一点，我们在此不作详细讨论。 三、测量时间差血的影响 面o q2 面0f 【x d 3 4 k s i n 2 0 以0 a ，a 出i，2 z d 31 4 k s i n 2 0 f 0 2 厶= 筹苦= 浯 虽然，测量时差，的误差传递系数为常数1 。但由于测量时差f 的值一般很 小，因此，能否精确测量时差对其相对误差影响比较大，进而影响到流量相对误 差的大小。正因如此，精确的测量时差是提高时差法流量测量精度的关键。 综上所述，时差法超声测流量的相对误差为： s o = d s l ) + ( k + s - 实际上各参数相对误差有正负，他们对流量测量误差的影响可相互抵消，从 而使超声波测流量时的误差更小。 2 3 提高超声测量精度的措施 在超声波时差法流量测量中，误差来源在前面做了分析，消除这些误差是流 量检测设计的关键。宏观来看要实现较高的流量测量精度，必须解决好以下几个 问题。 2 3 1 超声发射技术 户用超声热量表用于家庭供暖的热量计量，而家庭供暖管道的直径一般为 2 0 2 5 r a m ，属于小管径测量。以2 5 r a m 规格的热量表为例，采用超声换能器z 型布 置，那么超声传播的声路长度仅为6 8 7 m m 。另外，在供暖管道中的热水流速较低， 山东大学硕士学位论文 流速范围为0 卜2 3 m s ，而超声在水中的声速约为1 4 8 0 m s ，热水流速与声速叠 加后变化量很小，最小流速与最大流速所对应的超声传播时间仅相差约7 0 n s ，时 问测量在纳秒级。按照通常的超声测量方法，需要采用一个高频的计数器来测量 传播时间，假设高频计数器的计数时钟为1 0 0 m h z ，那么最大和最小时间测量值相 差约7 个脉冲周期，因此随机的量化误差( 正负一个脉冲) 会给时间测量带来1 7 的误差，显然不能满足流量测量的要求。如果选择更高频的计数器虽然可以满足 测量精度，但是需要提供更高频的输入时钟，不仅技术实现困难而且会增大系统 功耗。为了解决这个矛盾，采用了多脉冲发射法。 激发超声时，通过示波器可以看到换能器激发信号和接收到的回波信号都近 似正弦波，而且波形平滑无任何毛刺，回波有少许的干扰信号。对于干扰信号的 处理方法后边将作详细叙述。此处只简单介绍一下用于滤波作用的磁环选择，在 系统中没有将激发信号直接连到换能器上，而是通过一个磁环连接。磁环的原边 绕组连接激发信号原边、副边绕组和换能器的两个端子线相连接，这样可