（水声工程专业论文）时差式超声流量计的研究与软件实现.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s u l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sb e i n gu s e dw i d e l y i nm e a s u r i n g - f i e l d b e c a u s ei th a st h e s ea d v a n t a g e s ：n o n - c o n n e c t i n gm e a s u r e m e n t ，h i g hp r e c i s i o n ， e a s y t ob e i n s t a l l e da n da d v a n t a g e o u sm a i n t e n a n c e h o w e v e r , u l t r a s o n i c f l o ，i n e t e rc o u l dn o tm e a s u r et h ef l u xo fl i t t l ed i a m e t e rp i p ea c c u r a t e l y a sf o rt h i s d i s a d v a n t a g e ，b a s i n go nt h eb a s i ct h e o r ya n dt h em e t h o do ft h et e c h n o l o g y o f m e a s u r i n gt h ef l u xa n ds t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g y ， t h i sp a p e rd e s i g n sas o r to fh i g hp r e c i s i o nt i m e _ d i f f e r e n c em e a s u r i n gm e t h o d ， w h i c hc o u i dm e a s u r et h ef l u xo fl i t t l ed i a m e t e rp i p ea n dp r e s e n t st h ed e s i g no f m a i n c o n t r o lc i r c u i ta n dt h ew a yt or e a l i z es y s t e ms o f t w a r e 。t h ec o n t e n to ft h i s p a p e ri s ： 1 t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cf l o w m e t e ra n dm e t h o d st o c l a s st h eu i t r a s o n i cf l o w m e t e ra r ei n t r o d u c e d 2 t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o n c e p t i o no ff l u xa m p l y a n a l y z i n gs t a t e s o f l i q u i di nt h ep i p ea n dd i s c u s s e st h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fw i d e 。b e a ma n d n a r r o w b e a m ，a n dp r e s e n t i n gt h ef o r m u l ao fc o m p u t i n gf l u x a n dt h em a po f t h e o r yo fm e a s u r e m e m t h e ni t s t u d i e st h et h e o r yo ft h ed e s i g no fs i n g - a r o u n d u l t r a s o n i cf l o w m e t e r 3 a l lp a r t so ft h ec i r c u i td e s i g n s a r ed e s c r i b e d i n c l u d i n gs c m ，k e y b o a r d ，l c da n dc l o c k 4 t h em e t h o do fd e s i g n i n gt h es o f t w a r eo fl c d ，k e y b o a r d ，d a t ap r o c e s s i n g ， c o m p u t i n g s e l f - c o n t r o lo fg a i n ，c l o c ka n dm e n u o ff l o w m e t e ra r ep r e s e n t e d 5 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et e s t i n gs y s t e mo ff l o w m e t e r ，a n a l y s i so f e r r o ra n d r e s u i to ft h ee x p e r i m e n t f i n a l l y ，i tp u t sf o r w a r dt h ew a yo fb e t t e r m e n ta b o u tt h e p r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l o w m e t e r ；t i m ed i f f e r e n c e ；s i n g a r o u n d ；p r e c i s i o n o ft h e m e a s u r e m e n t ；s c m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的背景 在我们的生活中无处不在的充斥着各种针对液体流量测量的仪器。在人 类发展的历史长河中，流量测量技术可以追溯到数千年6 订的古埃及，在当时 就已出现了根据水位柬观察控制水流量的方法。到今天，已经出现了很多种 流量测量的仪器，其中包括节流式、文丘旱管压差式、板孔和喷嘴差压式、 浮子、容积式、涡轮式、电磁式、超声式和涡街式流量计等。现在流量计正 在被广泛的应用着，当代应用的流量仪表的主要品种，很多都是近几十年以 来开发的”1 。 随着近代以来数字电路技术的飞速发展，工业生产的自动化和管道化的 发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。掘国内外资料表明， 在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 - 3 0 ，所以开发 新的精度高的流量计与各个领域的发展密切相关。 1 2 流量计的分类 流量测量的方法有很多种，迄今为止，可供工业使用的流量仪表种类己 达6 0 种之多。每种产品都有它特定的适用性，也都有本身的局限性。按测量 对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可以分为总量和流量测 量，其仪表分别称为总量表和流量计。按照目前最流行、最广泛的分类法分 为：容积式流量计、压差式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、 流体震荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计，以及超声流 量计。流量计也可以按照测量原理和使用安装条件分类： 1 按照测量原理分为： 伯努利测量原理：有节流流量计、面积流量计、量水堰和槽等。 动量测量原理：动压板流量计和弯管流量计等。 o 容积流量计：原理是将流经计量仪器的流体以一定的容器反复的进 行计量，型式多样，有活塞型、圆板型、刮板型和齿轮型等。 测量流体流速或平均流速的原理：有皮托管、流速仪、电磁流量计、 哈尔滨l ： 旱人学硕十学何论文 超声流量计、涡街流量计和叶轮式流量计等。 水位与流量关系法：此法4 , n 堰槽，大到明渠江河都可以应用，配 合闸门丌启，还可以控制流量。 2 按使用安装条件分为： 管道流量计：有固定式、外贴式和插入式。 明渠流量计：有堰槽式、流速仪实测、水位流量关系和超声波时差 法等。 暗渠流量计：波布管流量计，这种流量计在安装时根掘需要还可以 变矩形槽为圆形断面。 1 3 超声流量计简介 1 3 1 超声流量计的优势及发展现状 与普通的液体流量计相比，超声波流量计具有以下优势b 1 ： 1 超声波流量计一般都设计为非接触式，可对不易接触和观察的流体进 行测量。并且善于非接触测量方式，无插入部件，不改变流体的流动状态， 因而对管道内流体的流通不产生附加阻力，使测量得到的数据更准确。 2 超声波流量计不受流体的物理性质与化学性质的影响，如流体的豁 度、腐蚀性、导电性和混浊度等都不妨碍超声波流量计的应用。 3 超声波流量计的指示读数与所测流体流量成线性函数，便于流量的直 接读数、记录和流量值累积。 4 通用性好，在可测范围内，同一台流量计可测任何不同管径的管道。 测量管径范围一般很宽泛，小可测量几厘米管径的管道，大可测十几米的管 道。而且造价与能测管径大小无关。 5 安装维修方便，不必中断流体的流动，不会影响生产。 6 超声波流量计不但能测量流体的流量，而且能够与微机通讯，便于观 测流体的流量曲线变化和记录流量数据。同时，超声波流量计电流信号输出 和继电器信号输出可以驱动其它的仪表装置，共同形成一个检测系统。 在国外，利用超声波测量液体和气体流量的研究已有数十年的历史。1 9 3 1 年，o r u t t e n 发表的德国专利是关于利用声波测量管道流体流量最早的参考 文献。但是要使超声波流量计具有一定的精度，就要求对时i 白j 的测量精度至 2 哈尔滨i i 稗人学硕十学何论文 少达到0 0 1s ，这在当时是很难达到的。5 0 年代初，美国科研人员首次提出 了“环鸣法”，就是通过多次循环测量将得到的时差扩大再进行测量，这种方 法弥补了当时电子技术的不足，使得时间差测量精度得以大大提高。1 9 5 5 年， 应用声循环法的m a x s o n 流量计在美国研制成功，并用于航空燃料油流量 的测量，标志着超声波流量计己从理论研究阶段进入了工业应用阶段口1 。进 入2 0 世纪7 0 年代以后，由于集成电路技术的飞速发展，使得高精度的时间 测量成为可能，再加上高性能、工作稳定的锁相技术( p l l ) 的出现和应用，为 超声波流量计的可靠性提供了基本的保证。使得流量计的测量精度有了较大 幅度的提高。2 0 世纪9 0 年代以后技术的革新，新材料、新工艺的不断涌现， 智能化信号处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展，测量精 度有显著突破，形成了迅猛的发展势头。超声波流量计早期应用局限在液体 流量计量，近年国外测量气体流量的超声波流量计发展很快，常用的可测气 体有空气、沼气和氮气等。而国际上天然气工业的发展，更加促进了超声波 流量计在测量气体流量上的应用。英国市场已经在用超声家用燃( 煤) 气表 大宗替换传统皮膜式家用煤气表。当今全世界5 0 多家较大的超声波流量计生 产商都集中于欧美日等国家，其中处于领先水平的国家有：美国、荷兰、日 本4 、英国、德国和加拿大。这些国家己经在超声波流量计的研制、生产和 推广方面积累了丰富的经验，再加上它们本身所具有的在电子技术和工业制 造领域的优势，使得它们在国际超声波流量计市场上占据了绝大部分的份额， 并且主导着超声流量测量技术发展的方向和趋势。 我国超声波流量计的研究起步较晚，六七十年代机械工业部上海工业自 动化仪表研究所、北京大学相继进行了超声波流量检测的研究，8 0 年代中期， 开封仪表厂从美国西屋公司，本溪无线电厂从同本富士电机公司相继引进专 用技术，生产具有8 0 年代国际先进水平的超声流量仪表，但是流量计市场基 本为国外产品占据。目前我国超声波流量计的研究和生产仍然比较落后，尽 管近年来随着国外各大超声波流量计生产公司的产品纷纷进入我国的市场， 也带动了国内超声流量测量研究的发展，但是从总体上说，我们现有的技术 还和国际先进水平有较大差距，在国内市场中，高精度的超声波流量计还是 国外品牌的天下，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面，需要有 较充足的经费支持并通过艰苦的努力，爿。有可能达到国际先进水平。 3 哈尔滨i t i 千1 人学硕十! 何论文 1 3 2 超声流量计的分类 超声波技术早己出现并为人们所使用，但把超声波技术运用到工业测量 中，则是近一、二十年来开始的。随着微电子技术的发展，对超声波信号发 射、捕捉及处理手段才能得以实现p 1 。超声波在流动的液体中传播时，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，从而换算成流量。超声流量计由超声波换能器、发射电路、接收电 路、信号处理电路和输入输出装置几部分构成。 超声流量计根据其测量原理的不同，已出现很多不同的测量方法，其主 要测量方法有： 1 传播时间差法：超声波在流动的流体中顺流和逆流传播时i b j 差与被测 流体的流速成正比关系，测量得到这个时间差数据，就可以通过计算求出流 速和流量数据。这种方法将在第2 章中做详细介绍。 2 多普勒效应法1 6 1 ：根据声学多普勒效应，当声源和观察者之问有相对 运动时，观察者所感受的声频率将不同于声源所发信号的声频率，这个因相 对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。通过测量计算这一频 率变化就可以得到管道中流体的流速以及流量数据。多普勒技术已在医疗仪 器上得到了重要应用，多普勒血液流速计现在已成为临床测量血流的重要手 段7 1 。 3 相关法1 8 1 ：相关法利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流 体的流速测量问题转化为测量流体通过相距一定距离的两截面的时间l 白j 隔的 问题，运用相关测量技术可实现流体流速的在线测量。根据测量原理，流速 的测量精度主要取决于渡越时i 日j 和两个平行的超声波波束之问距离的测量精 度。由于是测量两个固定波束之间的渡越时j 白j ，因此，测量结果不受流体中 声速变化和流体性质的影响，但流体的流动分布影响流速的测量精度。 4 波束偏移法：该方法是利用超声波束垂直流动的方向上入射时，由于 流体的流动而使超声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体 的流速。该方法的原理与装置简单，工业应用的可靠性高；在流速较高的场 合，因其电子线路简单，有一定的应用价值，但在低流速时的灵敏度与精度 较低。 4 哈尔滨啊早人学硕十。字：何论文 5 噪声法：一般而言，当流体在管道内流动时，在流体中会产生紊流或 涡流等，出于液体的剪切作用，在一定的频率范围内会产生声波或超声波， 此时产生的噪声强度和流速成f 比，通过噪声的检测可以得出流体的流速。 噪声法超声流量计测量电路只需要一个超声波接收电路( 无需发射电路) ，因 而结构简单，价格低廉，安装方便，便于测量和携带，适用于对测量精度要 求不高的场合。但噪声法存在的主要问题是信号很弱，现场背景噪声的干扰 影响测量，精度和稳定性不高。 这些方法各有优缺点，在实际应用中，要根据待测对象和要求的精度进 行选择。 1 4 论文的主要内容 本论文内容包括基础理论部分、流量计系统的硬件部分、流量计系统的 软件部分和本设计的结论部分。基础理论部分介绍了课题的背景，流量计的 发展与分类，并详细既明了超声流量计的特点及其测量原理。然后给出了流 量测量的基础知识、管道流体的特性和宽波束时差式超声流量计流量测量原 理。系统硬件部分详细地介绍了环鸣法超声流量计的设计思路，概念性地介 绍了系统的硬件设计，给出了超声流量计的主控电路板的电路设计方法，这 部分是本课题的实现基础，其中包括微控器c 8 0 5 i f l 2 0 单片机的设计和其周 围功能电路的设计，并且详细介绍了各个芯片的功能特点和使用原理。系统 的软件设计部分是本论文的中心内容。首先给出了软件开发的方法，并且详 细介绍了开发平台和语言工具，然后给出了每个功能模块的软件设计思想和 设计过程。结论部分介绍了流量计的性能检测方法，给出了系统的性能测试 结果，并提出了测量精度的改进方案，对本设计做了总结，给出了结论。 5 哈尔滨f ：程人学硕+ 学位论文 第2 章环鸣法超声流量计的原理 在管道流量测量理论中小管径管道的流量测量由于声信号在流体中的传 播时间短，信号难以捕捉，时间计量不准等原因很难找到准确的流量测量方 法。而环呜法超声流量计的设计主要就是针对小管径管道流体流量测量的。 下面的内容中将详细讲解使用传播时间差法进行管道流量测量的理论和方 法。 2 1 管道流量测量的理论基础 2 1 1 流量的基本概念 流量是指单位时间内流过某一截面的流体量，又称为瞬时流量。流量又 分为质量流量和体积流量，质量流量是指单位时间内流过流体的质量，体积 流量是指单位时问内流过流体的体积1 。质量流量一般用q 。表示，体积流量 一般用g ，表示。用数学表达式可以表示为 q 扩等：p 诩 ( 2 1 )m2 百2p 谢【z - 1 ) g ，：尝：谢( 2 - 2 ) gv2 百2 v 以 式中：吼 体积流量，m 3 s 一质量流量，k g s v一 流体体积，m 3 聊一 流体质量，蚝 ，一时间，s p 一流体密度，k g m 3 矿一管内面平均流速，m s 彳一 管道截面积，m 2 如果流体流动是不随时间显著变化的，称之为常流，式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) e p 的时i b ja t 可以取任意单位时间。如果流动是非定时常流，即流量随时间不断 变化，则式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) q b 的时间& 应足够短，以致可以认为在该段时间内 流动是稳定的。所以流量的概念是瞬时的概念，流量是瞬时流量的简称。 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在一段时间内流过管道横截面或明渠横断面的流体总量称为“累积流 量”，也常被称为“总量”。在数值上它等于流量对时间的积分，例如时刻t 到 时刻，：的累积体积流量和累积质量流量的计算公式为0 1 ： v = i 2 g ，d t( 2 3 ) _ _ m = l 。q 。d t ( 2 - 4 ) 2 1 2 管道内流体理论 环鸣法超声流量计主要是针对管道内的流体进行测量的，所以下面介绍 一下有关管道内流体的理论知识。 2 1 2 1 管道内流体的流动状态 由于实际流体具有粘性，当实际流体在管道中流动时，一般有两种流动 状态，一种是层流流动，一种紊流流动。这是两种性质截然不同的流动状态， 流速的计算方法也不相同。 层流状念是指管内流体只有轴向的运动，而无垂直于流体流动方向的横 向运动。层流流动时，管内流体分层流动，各个流层之间互不混杂，平行于 管道轴线方向流动，流层间没有流体质点的相互交换。流体通过一段管道的 压力降与流量成正比。 紊流状态是指流体质点既有轴向的运动，也有横向的运动。紊流流动时， 管内流体不再分层流动，流体中质点除了沿管道轴线向外流动外，还有剧烈 的径向运动，流体通过一段管道的压力降与流量的平方成正比p 1 。 区分管内流动是层流流动还是紊流流动的判断依据是一个无量纲数，称 为雷诺数，用见表示，这在后面内容中将做详细介绍。 2 1 2 2 管道内流体的流速计算方法”。 在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分御。这是由于 实际流体都具有粘性而造成的。一般规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁 的粘滞作用，流速越小，管壁上的流速为零：越靠近管中心，由于流体与管 壁的这种粘滞作用越小，流速就越大，管道中心的流速值达到最大。 7 哈尔滨t 程大! 学硕士学位论文 管道内的流动状态不同，所呈现的流速分布也不同。人们在长期的生产 实践中对管内的流体流速分布做了不少的研究，提出了很多流速分布模型。 下面只介绍种比较简单的流速分布模型。即 层流流动时： u5 1 一簧) 2 ( 2 - 5 ) 紊流流动时： u v m a x ( 1 。簧) ”( 2 - 6 ) 式中：，一管道中一1 1 , 的径向距离，m 匕 一 距管道中心0 处的流速，m s v m 。一 管道中心的最大流速，m s r 一管道半径，m n 一随雷诺数变化而变化的指数，无量纲数 通过检测流体速度来求得流量的速度式流量计，一般都是检测管道内流 体的平均流速束求得流量的。在流量测量中，平均流速是一个很重要的参数 如计算雷诺数和流量等数据时，只要用到流速的地方，几乎都是用平均流速 来计算的。 所谓平均流速，就是指管道截面上的平均流速。当管内流体以某一流速 1 ，d 均匀分布时，通过管道某截面的流量f 好等于管内流体以某一速度分布k 时通过该管道截面的流量，则屹就是该截面上速度分布为u 时的平均流速。 其数学表达式为： 屹：考：擘 ( 2 - 7 ， 对于圆管，将v ，代入上式，得到层流状态下的平均流速为： 【v2 z c r d r v a2 ：塾粤逆每 p 8 ，= - = _ 二一= 一1 ， - i 8 哈尔滨l ：稗人学硕十学位论文 紊流状态下平均流速为： 屹：r v 矿。2 x r d r 一2 碥戤( 1 一胁 ：- - - - - - - - - - - = 二- - - - - 一 万r 2 2 胛2 = v ( 2 门+ 1 ) ( 聆+ 1 ) 。 ( 2 9 ) 对于超声流量计，由于声波并非经过整个管道截面，而往往是经过管道 的中心轴方向，所以它测量的流速是管道中心轴方向的平均流速，一般记为 1 ，其数学表达式为： v ：华 ( 2 - 1 0 ) 2r 、 对于圆管，将u 代入式( 2 1 0 ) ，得层流状态圆管内中心轴向上的平均流速为： v ：坐 ：半每。 陋 截面平均流速为： v d 2 i v ( 2 _ 1 2 ) 紊流状态下，圆管内中心轴向上的平均流速为： v ：坐 咄肛咖 = = - - _ - - - - - - 二_ - - - 一 尺 9 哈尔滨l ： 罕人学硕十孚：何论文 2 瓦面v m a x ( 2 - 13r1 ) ( + ) 则截面平均流速为： v d = 罴v ( 2 - 1 4 ) 2 1 2 3 流速补偿系数对流速公式的修正 测量流体通过某截面的流量时，需要测量垂直截面的面平均流速，而从 穿过流体的超声波信号中检测出的流体流速是沿超声波传播路径上的线平均 流速，它们的关系应从流体力学中加以修证。线平均流速与面平均流速的差 异，取决于流速的分布情况。当管道线平均流速值为v 时，它与截面平均流 速v d 之比称为流速补偿系数k 。 由流体力学可知，流速补偿系数k 取决于管道的雷诺数r 。，而尺。又取 决于流体的流速、管径和流体的粘度等因素”7 1 。其值可查找相关图表得到， 也可通过计算得到，当流体在圆形管道内流动时，r 。可以写成 r ：业( 2 - 15 ) 7 。 式中：1 ，一管内流体的线平均流速，m s d 管道内径，m 。 一管内流体的流动粘度，m 2 s 尺。的大小决定了流体的流动状态，k 与r 。的关系根据流体的流动状态不 同而不同，可用如下公式计算1 ： 1 当流体呈层流状态时： 4 k = 妄( 2 1 6 ) 2 当流体呈紊流状态时： k = 1 + 0 0 1 4 6 2 5 + 4 3 1 尺，2 3 7 ( 2 1 7 ) 3 当流体流动状态介于层流状态与紊流状态之间时： 1 0 哈尔滨1 i 榉人学硕十学位论文 k = 1 1 1 9 0 0 il ( 2 。1 8 ) 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。事实上，由于流速分布规律的复杂性，特别是对紊流状 态下的流速分布规律，还没有十分准确的认识，因此如何得到比较精确的k 值 是制约超声流量计进一步提高测量精度的关键问题之一。但是到目前为止， 由于管道流体流速分布规律的复杂性，入们对流体流速分布规律和流速分布 的研究仅限于理想管道流，即光管层流条件下的流体流速分布规律和光管紊 流条件下的流体流速的分布规律。 2 2 时差法超声流量计测量原理 时差法超声波流量计是利用测量超声波在管道中的传播时间差而实现 的。介质在管道中的流速与超声波沿介质顺流和逆流传播时间存在一定的关 系”引。所以只要分别测量出超声波顺流和逆流的传播时间，就可以得到沿管 道路径上各点流速的瞬时平均流速，进而得到流体流量值。 一般传统的使用方法是通过超声波换能器发射一窄脉冲作为声传播信 号，但是窄波束测量存在很大的弊端，所以宽波束超声流量计现在丌始逐渐 成为超声流量计的发展主流。在下面的内容中将分别介绍使用宽波束对管道 流体进行流速测量的优势和原理。 2 2 1 宽波束流量测量方法的优势 传统的窄波束测量方法存在以下缺点3 1 ： 1 在安装超声换能器时必须准确的计算出接收换能器的安装位置，并反 复核准，安装位置的偏差会严重影响流量计的测量性能。 2 超声波脉冲信号在流体中的传播速度是声速和流速的矢量合成，合成 后的速度与管道轴向的夹角会随着流速的变化而变化并产生波束偏移，造成 接收换能器接收到的信号小，甚至接收不到信号从而影响测量。 3 如流体中含有悬浮颗粒或小气泡，则有可能反射中途在流体中传播的 超声信号，影响信号接收效果，从而对流速测量产生影响。 针对窄波束存在的这些的问题，如使用宽波束作为发射信号则能够很好 的解决这些问题4 1 5 1 ir e 。这是由于宽波束是纵波和横波的合成形式，管道内 1 1 哈尔滨。r l ：1 1 大学硕+ 学位论文 表面上的振动质点在轴向传播的同时，垂直于表面振动的横波成分会将部分 能量以纵波的形式辐射到周围的被测流体中去，形成一组相互平行的波束， 向对面管壁传播扩散，换能器就可以接收到这部分信号了。由于信号是沿着 管壁传播的，向管道对面辐射的声能范围相对较宽，能够完全覆盖接收换能 器的安装位置，大大降低对了换能器的安装要求。这样就会在很大范围内都 可以接收到超声信号，即使流体内有悬浮颗粒或者气泡也不会影响接收，因 为发射的是一个宽波束信号，不可能被小颗粒或气泡全部反射。针对以上宽 波束超声信号的优点，在本设计中采用宽波束时差法测量流体流速。 2 2 2 宽波束超声流量计的测量原理 j 灸f 皂暑 t i 彳弋 ，j 体 ：。 飞 1 7 、9 u p t 、 l 换能器t 2 一 丁 ，i 一 一l 图2 1 宽波束时差法测量原理 如图2 1 为直射式换能器安装方法。其中丁为换能器之间的间距，d 为 导管部分的内部直径，流体的流速为以，舅妒为逆流方向流体中的波束角， 秒删为顺流方向流体中的波束角，根为流体中的声速，圪为管壁相速度，秒 为零流速时流体中的波束角。宽波束时差式超声流量计测量原理是在顺流和 逆流方向分别发射超声波信号，另一个换能器接收到信号后，计算得到顺流 和逆流之间的传播时间差和流体静止时的传播时问，就可以求出管道中流体 的流速。计算公式如下。 从图2 1 中可以得出，零流速时流体中的波束角有以下关系： 1 2 s i n 9 ：堡( 2 - 1 9 ) v 从而可以得到零流速时流体中的波束角： i n - p 2 进一步计算顺流和逆流传播时间： 瑚乃u p + t l u p = 乃+ 坠等剑 却乃 d n n ut l d n ：瓦+ 坠等幽 + 瓦f 俨( 2 - 2 1 ) + 互删 ( 2 - 2 2 ) 式中，五胪是逆流传播时间，是顺流传播时间，瓦是换能器模块中的预 定时间，乃。是逆流方向管壁中的运行时间，l 是顺流方向管壁中的运行 时l 白j ，乃川，是流体中逆流传输的运行时间，乃删是流体中顺流传输的运行时 间。 由于平均流速在导管的轴心向下，管道该处并没有垂直的流体成分，因 此，测得的流体传播时间对于顺逆流方向是一样的： 互= 瓦。俨毛删= 瓦笔石 ( 2 - 2 3 ) 通过计算与之差，从而计算顺逆流传播时差： a t = t ? 甲一t 曩n ：竺：竺丝翌! 二里：竺亟：! ( 2 - 2 4 ) = ：一 其中： o u l , = t a n - ( 等竽 亿2 5 ， 划( 等筹 p 2 6 ， 哈尔滨1 ：稃火学硕七学位论文 则缸可写为 出：皇：! 堡：! 尘旦：竺：二鉴：! 垫呈兰：! 圪k c o s 0 ：掣( 2 - 2 7 ) = 一 - ， t ， 、 ， y 可得到平均轴向流速： 阼：兰垒 2 五 ：兰坠：! 竺巴f ( 2 - e 8 ) 2d 以上公式即为宽波束时差法测量流体流速的计算公式。 2 3 环鸣法超声流量计理论 2 3 1 环鸣法超声流量计的测量原理 环鸣法超声流量计是一个非介入式液体流量测量仪器。仪器不必触及到 流体，只要把换能器央装在输液管道上，超声波透过管壁进行发射和接收， 就可以测量得到流体在管中的流速和流量。这个流量计设计方案主要是针对 细小的管道提出的，“环鸣 是它的特色，故称它为“环鸣法 超声流量计。 仍然以第2 2 2 节的测量模型举例。流量计在工作时，换能器t 1 、t 2 是 轮流做发射和接收的。因为管中的液体是流动的，声波由t 1 传到t 2 ( f 程) 和由t 2 传到t i ( 逆程) 的传播时间是不相同的。j 下程、逆程两个传播时间 的差反映着液体的流速、流量。流量计环鸣工作时，首先由正程换能器t 1 发射超声信号，同时开始时间计量，超声波经流体被换能器t 2 接收到的同 时，再次触发换能器t 1 ，进行同样的测量，这样连续测量j 7 v 次，计数器停止 工作，得到次f 程的总时间。接下来由下游换能器t 2 发射超声信号，t 1 接收到信号的同时再次出发t 2 ，这样也是连续发射接收次，得到逆程 次的传播的总时问。f 逆程的时间相减就可以得到测量w 次的时f n j 差，根据 相应的流量计算公式就可以得到管道的流量值了。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 环鸣法超声流量计的优势 环鸣法超声流量计主要针对的就是小管径的流量测量，而小管径的特点 就是正逆程传播时间差太小，以传统的时差测量方法很难准确得到这个小量 时间数据。以本设计中使用的流量计检测系统来举例说明如下。 该检测系统中与测量有关的参数为管壁厚度：o 3 5 c m ，管道外径为 2 1 3 c m ，管壁材料采用的是钢材料，材料声速为5 9 0 0 m s ，管道中流体使用 的是水，假设环境温度为2 1 6 ，则流体中声速为1 4 8 5 6 9 m s ，测量系统中 使用的水泵在不限制水流的情况下流速为1 4 6 m s ，通过公式( 2 2 8 ) 可以得到 这时的时间差为5 n s ，与本设计中使用的计数器的计数周期2 1 n s 相比还要小 3 倍多。所以使用传统的时间差法测量这个时间量是根本不可能的，而环鸣 法测量方式正是针对这一传统方法的不足而提出来的，如何能测到这个时间 小量就是环鸣法超声流量计的关键所在也是其优势所在。 如环鸣法超声流量计原理部分所讲：首先由计算机触发测量，换能器t 1 发射超声波信号，穿过管道中的流体被t 2 接收到，由t 2 得到的信号代替计 算机信号再次触发t 1 发射声波信号，如此循环往复发射、接收次。这时 由计数器记下j v 次f 程的传播的总时间罗t 下。与正程换能器工作方式一样， 逆程换能器也发射次再测出y rj 加。这时就得到了总时f 白j 差y f = y ，i 前 罗，诈。由测量带来的误差经过次累加后，其均值向零逼近，测量的偏差 只出现在接收换能器的最后一次接收停止计时上，这样给次测量带来的误 差远比给单次测量带来的误差小的多，通过测量得n 4 , 管径管道流体的传播 时间差就成为了可能。这就解决了小管径测量的时间难捕捉的问题，也就是 环鸣法流量计的优势所在。 2 4 环呜法超声流量计的硬件电路介绍 本课题主要功能电路包括接收发射电路、主控数字电路和电源电路部分。 超声波信号的发射与接收都由模拟电路完成的。由于发射的是t t l 小信号， 所以需要功率放大器将触发信号放大到可以驱动超声换能器，这是发射电路 需要完成的工作。同时接收到的超声信号也是幅值只有几十毫伏的微弱声信 号，也需要将有用信号进行放大处理爿能准确的对接收到的信号进行处理， 1 5 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 即接收电路需要完成的工作，其中包括三级放大电路。第二级为自动增益放 大电路，根据信号处理的需要改变增益控制的电压来实现对接收信号幅度的 控制。主控数字电路主要由单片机和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m b l eg a t ea r r a y ) 组 成，在本设计中单片机选用的是c y g n a l 公司c 8 0 5 1 f 1 2 0 型号的单片机。流 量计是一个小型嵌入式系统，主要控制功能全部通过单片机实现，包括所有 的参数设置、菜单显示、键盘输入和流量数据显示等功能。另外最重要的就 是传播时间的计量问题，如果时间不能准确测量，那么一切设计都是空谈， 所以系统选用时钟精度很高的f p g a 实现。本系统的发射信号也是由f p g a 实现。电源电路部分为数字电路和模拟电路提供所需要的电压。 以上三部分电路构成了流量计硬件电路的主体部分，构成了系统针对小 管径管道中液体流速的测量的硬件基本电路。 2 5 本章小结 这一章是整个论文的理论基础。本章首先介绍了管道流体流速测量的基 本概念，然后针对管道流体理论对流体在管道中的流动状态进行了分析，给 出了流体流速的计算公式，并且讨论了流速补偿系数对流速计算公式的影响， 最后说明了各种情况下对流速公式的修正方法。然后对宽波束时差测量方法 进行了分析，指出了本设计中所使用的宽波束测量方法相对传统窄波束测量 的优势。最后对“环鸣法”的概念、基本原理和该测量方法特有的优势等内 容进行了详细的介绍。最后一节中简单介绍了本系统中的主要电路组成部分， 指出了各部分电路在流量计系统中所实现的功能。 1 6 哈尔滨l 枉1 - 1 火。学硕十。孚：何论文 第3 章流量计硬件电路的设计 3 1 引言 流量计的整个工作过程都在主控电路的控制之下，根据流量计的具体需 要，本设计中采用单片机作为控制电路的核心。流量计所有的控制功能都是 由单片机和其外围器件完成的。在下面的内容中，本文将详细介绍主控电路 的硬件设计。 3 2 主控电路功能框图 流量计系统的主要功能全部由主控电路实现。电路如图3 1 所示，硬件 电路板图见附录a 中图a 1 。 图3 1 流量计主控电路功能框图 其中系统的参数设置，流量计工作流程都由键盘控制实现。系统对测量 出的流量数据通过液晶显示器显示，显示器还完成系统菜单的显示功能。 f p g a 负责产生换能器驱动信号和对接收信号进行处理，同时负责计量超声 波信号在管道中正逆程的传播时间，然后将计数器得到的值发送给单片机， 单片机对其进行处理得到正逆程时间差，通过软件计算得到管道中流体的流 速流量值，将得到的结果显示在液晶屏上，也可以通过串口发给主机或者将 数据存储在数据存储器中。电路中的时钟电路为流量计系统提供时间显示， 并可以在无人职守的情况下实现针对异常数据的出现时间和数据值进行记 录。 1 7 哈尔滨科人学硕十学位论文 3 3 单片机的设计 3 3 1c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机简介” 一、m c s 5 f r m 微控制器内核 图3 2 为c 8 0 5 1 f 1 2 0 的内部原理框图。 图3 2c 8 0 5 i f l 2 0 的原理框图 c 8 0 5 i f l 2 0 单片机使用的是s i l i c o nl a b 专利的c i p 5 1 微控制器内核。 c i p - 5 i 与m c s 5 i f m 的指令完全兼容，可以使用标准的8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器 和编译器进行软件开发。c i p - 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字节的内部r a m 、1 2 8 字节的特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及8 个8 位宽的i o 端口。c i p 5 1 采用 流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准的 8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有的指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期， 晟大系统时钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令的执行时 哈尔滨t 程大学硕十学侍论文 间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统的时钟 周期。c i p 5 1 工作在最大系统时钟频率1 0 0 m h z 时，该单片机的峰值性能达 到1 0 0 m i p s 。 c i p 5 1 内核和外设有几项关键性的技术改进，提高了整体的性能，更易 于使用。扩展的中断系统向c i p 5 1 提供2 0 个中断源，允许大量的模拟和数 字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统只需要较少的 m c u ( m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ) 干预，这样才能有更高的执行效率。在 一个多任务的设计中，这些增加的中断源是非常有用的。m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测 器、一个由比较器o 提供的电压检测器、一个软件强制复位、c n v s t r 0 输 入引脚及r s t 引脚。其中r s t 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产 生的上电复位信号输出至i j r s t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚外， 每个复位源都可以由用户用软件禁止，使用m o n e n 引脚可以使能禁止v d d 监视器。在一次上电复位之后的m c u 初始化期1 8 j ，可以用软件将w d t 永久 性使能。m c u 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时 钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使 用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换在 低功耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 的外部晶 体运行，当需要时再周期性地切换到2 4 5 m h z 的内部振荡器。 二、片内存储器 c i p 5 1 有标准的8 0 5l 程序和数掘地址配置。它包括2 5 6 字节的数据 r a m 。其中高1 2 8 字节为双映射。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字节， 用直接寻址访问1 2 8 字节的s f r 地址空间。数据r a m 的低1 2 8 字节可用直 接或间接寻址方式访问。前3 2 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的1 6 字 节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 器件还另有位于外部数据存储器地址空间的8 k 字节的r a m 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口( e m i f ) 。这个片内的 8 k 字节r a m 块可以在整个6 4 k 外部数据存储器地址空间被寻址( 以8 k 为 边界重叠) 。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片 外存储器或两者的组合( 8 k 以下的地址指向片内，8 k 以上的地址指向 19 哈尔滨一 - - l ：t l 火学硕+ 学何论文 e m i f ) 。e m i f 可以被配置为地址数据线复用方式或非复用方式。c 8 0 5 1 f 1 2 0 器件的程序存储器包含1 2 8 k 字节的分块f l a s h 。该存储器以1 0 2 4 字节为 一个扇区，可以在系统编程，且不需要特别的外部编程电压。 三、j t a g 调试和边界扫描 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机有片内j t a g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的 在线系统调试。该j t a g 接口完全符合i e e e l l 4 9 1 规范，为生产和测试提供 完全的边界扫描功能。 s i l i c o nl a b 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观 察点、堆栈指示器和单步执行操作。不需要额外的目标r a m 、程序存储器、 定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都f 常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设( a d c 和s m b u s 除外) 都 停止运行，以保持同步。在对目标板进行调试时还需要其它配件，这些内容 将在第四章第二节的内容中详细阐述。 四、可编程i 0 和交叉开关 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机有6 4 个通用i o 端口，这些端口i o 的工作情况与标 准的8 0 5 1 相似，但有一些改进。 每个端口i o 引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准的8 0 5 1 中固定的“弱上拉 可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的 能力。但该单片机最独特的改进是引入了数字交叉开关功能。这是一个大的 数字开关网络，允许将内部的数字系统资源映射到p 0 、p 1 、p 2 和p 3 端口的 i o 引脚上。与具有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可支持所有