污水管道非接触流量测量装置设计

第 1 页 共 41 页摘 要超声波流量计(UFM, Ultrasonic Flow Meter)通过测量管路中顺流和逆流方向的超声波传播时间变化计算流速,因此超声波传播时间的准确测量对流量计的精度影响至关重要.对超声波流量计的测量方法进行研究,从气体的充盈度、时间测量的准确性、不确定度的计算三个方面,对比超声波传播时间差法和频率差法对流量测量精度的影响.通过超声波流量测量实验,验证了在流量计未校准的情况下,与频率差法相比,时间差法的测量精度更高,且其校准系数曲线的线性度更好,校准后可在全流量范围内获得更高的测量精度。关 键 词：超声波流量计；流量测量；时间差法；频率差第 2 页 共 41 页AbstractUltrasonic flow meter (UFM) calculates the flow rate, by measuring the difference of ultrasound transit time between the upstream direction and downstream direction. For the purpose of accurate flow measurement, transit time difference method and frequency difference method are compared from three aspects:change of environment temperature, accuracy of time measurement, and uncertainty calculation. Ultrasonic flow measurement experiment shows, when the flow meter is not calibrated, compared with frequency difference method, transit time difference method can achieve better accuracy. And the calibrated factor for the transit time difference method is more linear, so better accuracy is achieved for full flow range measurement.Key words: ultrasonic flow meter；flow measurement time；difference method ； frequency difference method第 3 页 共 41 页目 录1 引言.11.1 超声波流量计的发展.11.1.1 流量计的发展史11.1.2 超声波流量计的发展21.2 超声波技术概述.31.3 超声波测量装置的原理.31.3.1 时差法测液体流量31.3.2 非接触式流量计.41.3.3 换能器的安装以及夹具的设计52 超声波.62.1 超声波概念以及性质.62.2 超声波的产生.62.3 超声波的特性.72.3.1 超声波的传播速度72.3.2 超声波的衰减72.4 超声波的作用.83 非接触流量测量装置原理.93.1 流量的基本概念.93.2 分析超声波反射对管道内部液体流量测量的基本原理.93.3 声学原理.113.4 测时原理.123.5 原理图.174 超声波换能器184.1 超声波换能器的概念.184.2 超声波换能器的种类.194.2.1 工作频率.204.2.2 机电耦合系数.204.2.3 换能器的频率特性.205 电路设计225.1 超声波换能器.225.2 超声波发射电路.225.3 超声波接收电路.225.4 方向切换电路.235.5 D/A 电压调节.245.5.1 组成.245.5.2 作用.245.6 对微小时间的测量.265.7 显示器采用 LED 显示 276 提高测量超声波传播时间精度的方法276.1 阀值法.296.2 设置接收窗口.30第 4 页 共 41 页6.3 PLL 锁相回路法.306.4 自动增益控制.316.5 双触发回路.317 小结33参考文献 34致谢.36第 1 页 共 41 页1 引言1.1 超声波流量计的发展 1.1.1 流量计的发展史自古以来测量都是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利，化工，农业，石油，冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。1738年，瑞士人丹尼尔伯努利以伯努利方程为依据，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究成果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置 1；19111912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代，又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展。 第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。随着工业生产的自动化，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 2。据国内外资料表明，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15-30。但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计测量技术问题有待进一步研究解决。目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘、性流体、多相流体、特大流量、微小流量等 3，有待发展有效的测量手段。我国开展近代流量测量的技术比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、电磁流量计的生产。至今，我国已经形成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研发和生产的企业，第 2 页 共 41 页从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。目前我国的流量装置方面。与国际水平仍存在较大差距，现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡轮流量计、旋进漩涡流量计、射流流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，需要有较充足的经费支持并通过艰苦的努力，才有可能达到国际先进水平。1.1.2 超声波流量计的发展超声波流量计（简称USF）是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。1931年，O.Rutten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，要求对时间的测量精度至少达到107秒，这在当时是很难达到的；50年代初，美国科研人员首次提出了“鸣环”法，就是通过多次循环将时差扩大在进行测量，这种方法弥补了当时电子技术的不足，使得时间测量精度得以大大提高 4。1955年，应用声循环法MAXSON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已经由理论研究阶段进入工业应用阶段，但由于电子线路太复杂而未得到推广。60年代末又出现了多普勒效应的超声波流量计。进入20世纪的70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(PLL)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，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法超声波流量计，这种流量计声速受温度变化的影响远小于时差法，灵敏度和测量范围也优于时差法，因而这种方法成为测量大管径大流量超声流量计的主要方案，但是仍无法保障小管径小流量测量时的精度。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律作了大量深入研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流和紊流，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来，超声流量计的种类也越来越多，相继出现了波束偏移法、相关法和噪声法。第 3 页 共 41 页当今全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家，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，目前我国超声波流量计的研究和生产仍比较落后的，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 5，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。近十几年, 国际上已兴起利用超声波测量流量及液位的仪表，取得了十分理想的效果。众所周知, 超声波具有发射能量大、方向性强的特点。超声波测量装置的基本原理是向管道发射超声波脉冲。该脉冲以顺流和逆流方式通过流体时，因流速不同，即会产生时间差，测得此时差，就可检出流体的流速，求得流量； 这一方法称为时差法。根据多普勒原理，超声波脉冲在顺流和逆流通过流体时，其频率也会发生变化，测量此频差也可检出流体的流速；求得流量, 这一方法称为频差法。1.2 超声波技术概述由于超声波传播时，其声速、衰减和声阻抗都和媒质的特性与状态有关，不同性质的媒质不但影响超声波的穿透深度，也影响接收波的强度。因此，要准确地检测到超声信号并非易事，在投入设计前要对超声波及相关的知识进行介绍 6。1.3 超声波测量装置的原理1.3.1 时差法测液体流量超声波测量装置的原理是超声波在流体中传播时，其传播速度会受流体流速影响而变化，因此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体的流速。据此，所采用的测量方法主要有传播时间差法、频率差法、相关法、多普勒效应法等其中传播时间差法和频率差法只需要获知超声波的传播时间(或频率)，电路实现和测量计算相对容易，故在超声波流量计中使用较为广泛。第 4 页 共 41 页时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。其基本原理如图1.1所示。超声换能器A、B是一对可轮流发射或接收超声脉冲的换能器，其安装方式采用管外夹装式。设超声波信号在被测流体中的声速为C，超声波顺流时从A 到B的时间为t 1，逆流时从B 到A的时间是t 2，由于换能器布置在管外，超声波在换能器和管壁中传播需图1.1 时差法工作原理图要时间，而且电路也有延迟，这三种传播时间总称为延迟时间，远小于超声波在流体中的传播时间，则有：= + （11）1tvsinCcod0= + （12）2ti-0= = （13）1t22sinvdtg在一般工业测量过中，超射波在液体中传播速度（水中约为1450m/s）比液体的流速大得多，即C 2v 2sin2，所以顺逆流时间差t=t 2-t1可化简为：（ 14）tgCdt1因 此 ， 时 差 法 超 声 波 流 量 计 的 基 本 方 程 可 以 写 为 ：第 5 页 共 41 页（ 15） tdgCv2（ 16）Q41.3.2 非接触式流量计在非接触式流量计中, 管外夹装式超声波流量计是比较成熟的一种, 已经推向市场 7。它将检测元件置于管壁外而不与被测流体直接接触, 不破坏流体的流场，没有压力损失；仪表的安装、检修均不影响管路系统及设备的正常运行，测量精度几乎不受被测流体的温度、压力、粘度、密度等参数的影响。只要能传播超声波的流体皆可用此法来测流速和流量，尤其适于测量腐蚀性液体、高粘度液体、非导电性液体或气体的流量。采用多声道方式时，可以缩短要求的直管段长度而仍能保证较高的测量精度。特别是超声波法可以从厚的金属管道外侧测量管内流动液体的流速，无需对原有管子进行任何加工。所有这些优点都是接触式流量计所不具备的， 因而非接触式管道流量测量技术是一种很有发展前途的管道流量测量方法，值得我国石油部门加以借鉴与采用。1.3.3 换能器的安装以及夹具的设计换能器的安装选择 V 型结构，如图 1.2 所示，V 型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在国际流行的两个换能器安装在同一侧的设计，而且我可以通过制作一个伸缩的夹具控制两个换能器的直线距离，通过多次不同间距采样测量，算取平均值，把误差降低到 10以下，增加该系统测量的准确度。所以我们的换能器将采用单通道 V 字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，单通道形式可以消除由双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中反射引起的对测量的干扰。第 6 页 共 41 页图 1.2 换能器的安装第 7 页 共 41 页2 超声波2.1 超声波概念以及性质超声波是频率高于20000Hz的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用 8。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。2.2 超声波的产生声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数(频率) 甚高，超出了人耳听觉的一般上限(20000Hz)，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高 9，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在25MHz 之间，常用为33.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=10 6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620,000HZ之间） 。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用只够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不第 8 页 共 41 页变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强 10。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。频率高于210KHz 的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等） 、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2.3 超声波的特性超声波通常指频率高于 20KHz 的机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为本课题主要是研究针对供水行业的超声波流量计，所以我们只以水为介质进行分析。2.3.1 超声波的传播速度超声波在水中的传播速度不但与温度有关，还受水深 h 和水中还盐量 s 的影响，图 2.1 为水中声速与温度 T 的关系曲线。当 0T 35，0S45， 0h1000m 时，水中声速可用下式计算： h60.135).1(S(340.29.54.6192C2 图 2.1 水中温度和深度的关系曲线第 9 页 共 41 页2.3.2 超声波的衰减超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了 11，通常认为流体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子(如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等)，则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。因此，超声波在水中传播时会不断衰减，甚至会被噪声淹没。在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。2.4 超声波的作用利用声波反射、衍射、多普勒效应，制造超声波物位计、超声波液位计、超声波流量计等。第 10 页 共 41 页3 非接触流量测量装置原理3.1 流量的基本概念单 位 时 间 内 ， 流 体 流 过 管 道 或 设 备 某 处 横 截 面 的 数 量 称 为 流 量 。 流 体 流 量 可 用 单 位 时 间 内 流 过 通 道 横 截 面 的 流 体 体 积 或 质 量 来 表 示 ， 前 者 称 为 体 积 流 量 ， 用 Q 表 示 ， 单 位 为 m 3 /s， 后 者 成 为 质 量 流 量 ， 用 G 表 示 ， 单 位 为 kg/s。体 积 流 量 Q 的 计 算 式 为 ：（ 31）A式 中 ， A 为 与 流 速 v相 垂 直 的 通 道 横 截 面 积 ； V为 沿 通 道 横 截 面 上 的 流 体 平 均 速度 。质 量 流 量 G 的 计 算 公 式 为 ：（ 32）VSQ式 中 ， 为 流 体 密 度 ， 单 位 为 。3mkg3.2 分析超声波反射对管道内部液体流量测量的基本原理本设计我主要采用时差法测量管道内部液体的流量，时差法其工作原理如图3.1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波 12，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。超声波在流动的流体中传播时就载上的流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。图 3.1 时差法超声波流量测量原理示意图图 3.1 中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为 D(5-8 英寸) 13，超声波第 11 页 共 41 页行走的路径长度为 L，超声波顺流速度为 tu，逆流速度为 td；超声波的传播方向与流体的流动方向加角为 。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播 L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：（33）Vcostd（34）-Lu其中：c 是超声波在非流动介质中的声速，V 是流体介质的流动速度（不大于1M/S），t u 和 td 之间的差为（35）cosL-Vsc- 22oLcs-2cosV-1X式中 X 是两个换能器在管线方向上的间距。为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：（36）10cV2（37）2t也就是流体的流速为：（38）X2tcV由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。流量 Q 可以表示为：(39)Vdt4D2如果已经知道了 L、c 、D 和 ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差 ( )t就可以求出速度 V，进而得到瞬时流量。第 12 页 共 41 页3.3 声学原理 当管道中以速度 V 流动时，超声波信号在流体中的顺、逆流传播时间分别为t1、t 2，那么对于 V 型安装有：（310）sinco21vCdt（311）i2t（312）221sin4vCdtgt（313）tv但是，由式（3-13）我们可以看到流体的流速 v 与超声波速度 C 有关，而 C又受温度、水深等物理参数的影响，如果直接利用式（3-13）进行流量计算势必会造成比较大的误差，因此，可以采用改进型时差法，利用数学变换将影响测量精度的超声波速度 C 剔除。由式(3-10)、(3-11) 可知：（314）1cos2sintdv（315）2it式（3-14 ）、（3-15 ）相减可得：（316）2sin21dtv式（3-16 ）与（3-13 ）相比，消掉了超声波速度 C 这一项，因此，改进后的时差法公式消除了 C 对测量结果的影响，从理论模型上提高了流速度测量精度。第 13 页 共 41 页图 3.2 基本声学原理图3.4 测时原理 由第二章第四节的分析，时差法超声波流量计的精度与所检测到的传播时间的准确度有关,采用可靠的传播时间测量方法是确保时差法超声波流量测量的关键问题。由式（3-16 ）可以看出：（317） 2sin),(2121 dktftkv由数学知识我们可以知道：（318）21tkv（319）21t（320）21tkv由式（3-18）可以看出，k 越小，v 对时间参量要求的精度就越大，也就是说管径越小就越难以测量。根据课题的要求以及计算的方便我们所测管径的最小值为 d=0.05m；假设此时超声波在静止的水中的速度为 1450m/s；发射角 为 450。当流体流速为 V=1m/s 时：t1=97.484us,t2=97.579us，t=9.5E-8s也就是说超声波顺逆流发射的传播时间差t 仅为 95ns 左右，如果要求系统测量精度为 1，则测量分辨率至少应达到 1ns，那么就需要采用 1000MHz 的时钟脉冲计数来计时，并且相应的要提高各种门电路开关速度，在现今电子技术发展情况下，这样高的频率时钟电路和计数电路都难以实现，可见极力去精确测量单个纳秒级的时差是不现实的，为了解决这个难题，我们采用多脉冲法作为本课题的测时方法。多脉冲测量方法是进入九十年代以来，国外生产厂家首先采用的一种测时方 法，美国康创公司推出的 UNIFLOW 流量计以及最近我国深圳晨光科技实业有限公司在引进德国技术的基础上设计的 ZCL-15 系列时差法流量计均采用了多脉冲法，但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍，或在产品说明书中一带而过。第 14 页 共 41 页我们通过对以往人们常用的超声波测时方法的分析，结合微处理器的特点，对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间，而且能在流量测量过程中结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。所谓多脉冲测量方法就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法其工作示意图见图 3.3，首先使一个超声波换能器 T 1 作为发射探头，另一个换能器作接收探头，如图 3.3（a）所示，然后将触发信号加在发射探头 T1 上使其发射超声波。超声波顺流传播被接收探头 T2 接收并转换为电信号，接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器 T1 第二次发射超声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。在完成 N 次声循环后循环停止，假设这 N 次顺流声循环所需的时间为 t s，它包含 N 次固有延迟时间， (i1，2，3N)之和以及 N 个超声波在水中单次顺流传播时间 t1 之和，即：（321）11)(tiNis图 3.3 超声波多脉冲法示意图接着使超声波换能器 T2 作发射探头，T 1 作接收探头，如图 3.3(b)所示，将触发信号施加在发射探头 T2 上使之开始发射超声波，接收探头 T1 接收到超声波后，经放大、整形处理，触发 T2 第二次发射超声波，这样就形成了逆流超声波声循环，同样可知超声波完成 N 次逆流声循环后所需的时间 tn 包含 N 次固有延迟之和以及第 15 页 共 41 页N 个超声波在水中单次逆流传播时间 t2 之和，即：（322）21,)(Ntitin当图(a)和图(b)中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路而且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要 N 足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时总和是相等的，即：（323）Nii1,1)()(于是： （324）Ntttsn)(12由式（3-13）可看出时间差t 不用再去测量难以准确计量的微小时间t1、t 2，而是改测相对足够大的时间 ts、t n。应用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路可以非常容易的对 ts、t n 进行的侧量，时间差t 的准确测量就变得容易。下面从数理统计上对单脉冲和多脉冲方法进行分析比较，说明多脉冲的优越性。如图 3.4 所示，设脉冲周期为 T，电路延迟时间为 ，计数器引起的时间误差为 ，随机噪声引起的误差为 w（满足正态分布）；理想情况下一个脉冲由发射到接收的时间为 t 真；而实际中单脉冲由发射到接收的时间为 t，多脉冲由发射到接收的时间为 t，对于多脉冲每个脉冲到达的时刻为 t i，则每个脉冲由发射到接收的时间为 ti（i=1,2,3, ，n），那么：对于单脉冲：（325）真t对于多脉冲：（326）111真t（327）T222真（328）t333真第 16 页 共 41 页（329）)1(nntn真由波形可知，t 2 与 t 之间只差一个脉冲周期的时间（这么假设超声波在传播过程中波形不变），同理，t 与 ti 只差（i-1 ）T 的时间，则可得到下式（330）111,真t（331）222, 真（332）333,真t（333）nnn,真上式表示脉冲串中每个脉冲激励换能器发射超声波到接收的时间，那么对于脉冲串送给单片机做数据处理的传播时间可用这 n 个脉冲的传播时间的平均值表示： ninini niii nnnmAAAnttt11111 212121,3, 真真而对于任意一个单脉冲： t=t 真 +w，t 与 t，相比，只是真t误差项不同，多脉冲误差为 n 项求和取平均值，从数理统计的理论可知，测量值t，要明显优越于 t，所以多脉冲法相对其他方法有其优越性，能减小误差从而保证传播时间的精度。第 17 页 共 41 页图 3.4 多脉冲法超声波接收原理图3.5 原理图图 3.5 是我们设计的超声波流量计的原理框图。图中主要有两个超声波发射单元、一个时间测量单元和一个控制器 14。他们共同来完成超声波的发射、接受和时间差的测量等工作。其他的外围单元主要是为了测量仪表的参数设定、测量数据的输出、显示和传送等功能，可参考相关资料，这里不作介绍。关关A关 关A关B 关 关 LCD4-20mARS485RS23关4关关 关B图 3.5 超声波流量计的电原理框图第 18 页 共 41 页4 超声波换能器4.1 超声波换能器的概念超声波的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这就是换能器。超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统 15。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF 等。压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。其结构原理如图4.1所示：图4.1 超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到 超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小， 约为(110)m， 但这种振动的加速度很大，约(10 103)g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号 16，此时的传感器就成了超第 19 页 共 41 页声波接收器。通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电 路，如图4.2(a)所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4.2(b)所示。如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。图4.3是压电换能器的完整等效电路(电流等效电路图) 。 图4.2 压电超声换能器等效电路图 图4.3 压电换能器的完整等效电路Ca换能器的电容 Ci前置放大器输入电容Cc连接导线对地电容 Ri前置放大器的输入电阻Ra包括连接导线在内的换能器绝缘电阻由等效电路来看，压电换能器的绝缘电阻R a与前置放大器的输入电阻R i相并联，为保证换能器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电换能器的绝缘电阻应保持在1013以上，这样才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则换能器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。4.2 超声波换能器的种类超声换能器有许多不同的结构，可分为直探头（纵波） 、斜探头（横波） 、表面波探头（表面波） 、兰姆波探头（兰姆波） 、双探头等 17。根据压电晶片的大小，如直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要性能指标包括： 第 20 页 共 41 页4.2.1 工作频率大多工作频率选在换能器的机械共振频率（即压电晶片的共振频率）附近。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。 4.2.2 机电耦合系数超声波换能器的机械能和电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。最早给出定义的梅森将机电耦合系数定义为从 电 源 取 得 的 总 能 量贮 存 的 机 械 能 量tK但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各部协调。此外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关。因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。换能器的机械品质因数Q m：Q m是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，它与标称宽带f=2密切相关，即与换能器的机电耦合的系数密切相关 18，而且与所在介质的辐射阻抗、换能器结构、材料及损耗密切相关。例如，同一只压电换能器，在水中的Q m30，在空气中Q m200。换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路（或接收电路）末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载（或接收声负载）匹配。换能器的方向特性：一个发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质中的 声波波长可相比拟时，它发射声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角。 式中，为超声波波长，D 为换能器直径，所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2次方成正比，因此超声波的频率不能太高。 4.2.3 换能器的频率特性所谓频率特性就是换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗和灵敏度等随频率变化的特性。在接收换能器中宽频带可获得窄脉冲、短余振时间波形，获得极高的纵向分辨率。第 21 页 共 41 页为了提高探头发射超声波的效率，常在晶片背面装上阻尼块以增大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波；同时，为了保证声能损失小、方向性强，必须把压电材料封装在声楔中，声楔应具有良好的透声性能，常用有机玻璃制成。在一般工业领域，通常接收和发射的传感器使用完全相同的材料 19，做成完全一样的结构，可以互换使用或进行双向收发，这样不仅可以降低成本，而且在一定程度上减小了测量误差。第 22 页 共 41 页5 电路设计5.1 超声波换能器超声的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这就是换能器。超生换能器，也即超声传感器，是超声流量计中的重要组成部分。通常所说的超生换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件和装置。换能器处在发射状态时，将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转化为电能。5.2 超声波发射电路超声波发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播 4较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。本设计中采用的是由单片机发出的方波，单片机 P3.7 输出方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联。用以提高驱动能力。上拉电阻 R1、R 2 一方面可以提高反向器 74HC04AN 输出高电平的驱动能力。另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果 ，缩短其自由振荡的时间，下图为超声波发射部分电路图。图 5.1 超声波发射电路第 23 页 共 41 页5.3 超声波接收电路超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A 处理两部分 20。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经CX20106A 处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断，下图为超声波接收部分电路图。图 5.2 超声波接收电路5.4 方向切换电路通过 555 继电器切换传感器方向，进行顺逆流方向收发电路的切换，这样既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过通过使用 7单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，是换能器发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响，下图为方向切换电路部分电路图。第 24 页 共 41 页图 5.3 方向切换电路5.5 D/A电压调节5.5.1 组成超声波信号处理包括放大电路、滤波电路、二值化电路。放大器采用高频、可电压调整增益运算放大器 AD603，如图 5.4 所示。滤波电路采用高 Q 值滤波器，提高了信噪比，如图 5.5 所示。二值化电路采用高速比较器 LM339，如图 5.6 所示。通过放大以后的超声波回波信号经过滤波，进入二值化电路，产生回波脉冲信号，送入单片机中，进行时间测量的控制。5.5.2 作用(a) 调节高压，产生激励电压调节范围，用来形成发射电路所需发射功率。(b) 调节放大电路增益，实现信号的增益控制。(c) 调节二值化电路的参考端输入电压。使之与放大后的回波信号相比较。第 25 页 共 41 页图 5.4 可编程增益放大器图 5.5 低通滤波器第 26 页 共 41 页图 5.6 二值化电路5.6 对微小时间的测量为了达到较高的分辨率和较短的采样时间的目的，通过单脉冲所需的时间来实现。该接口电路采用的是 8052 单片机实现对周期信号的测量。采用 8052 内部两个 16 位寄存器（定时器 0 和定时器 1），定时器 1 为计内部机器周期，定时器0 为计通过的脉冲数。通过图 5.7 电路可以保证单位计数脉冲的完整性。(1)通过 P1.6，P1.7 把 Rs 触发器的输出脚置 1，D 触发器只有在 CP 的上升沿才变化，置 Q 为 1 ；（2）这时内部定时器的 INT1=1，定时器 1 开始计内部机器周期数，同时内部定时器 0 开始输入脉冲数（T0 发生由 1 到 0 的跳变，计数器加 1）；（3）当输入脉冲计数到后，通过 P1.6，P1.7 置 1，使 Rs 触发器输出为 0，仅在 CP 上升沿才使 D 触发器输出Q 由 1 变为 0，这时定时器 1 停止计内部机器数，定时器 0 也停止计外部脉冲数，这样不仅仅保证计数脉冲完整，而且也是计的单位完整脉冲期间的机器周期 12。第 27 页 共 41 页图 5.7 微小时间的测量电路5.7 显示器采用 LED显示超声波测流量系统的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。只需能显示 0-9 的数字，且显示稳定无闪烁即可。因此显示部分采用七段半导体数码管即 LED。根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接法中，LED 数码管的 g-a 七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法向反。LED 数码管具有亮度大，响应速度快等优点。LED 显示器有静态显示和动态显示两种。本设计中采用动态显示方式，以实时显示液位变化。在此选用的是共阴极接法。本设计采用单片机直接驱动 LED 的方法，通过软件的编译来实现由二进制到BCD 码的转化，从而简化了显示电路。但是，在制作超声波测距系统的过程中，我发现由单片