基于超声波传感器的水流量计的设计

山东科技大学学士学位论文摘要目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。本设计的主要工作有两个方面：一是硬件设计，二是软件设计。硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。 关键词：时差式超声波流量计；低功耗；精度；MSPAbstractAt present, most household water flow meters in our country is Mechanical rotor-type, but this type of water meters low accuracy existing shortcomings. This paper introduces a design of ultrasonic technology based on suitable for household water flow meter, with high precision, simple operation, low cost, etc.This design main job has two aspects: one is the hardware design, and the second is the design of software. Hardware design systems use the high precision time-interval measurement chip TDC for measuring time-GP2, and control the firing pulse, with low power consumption of MSP430F427 single chip microcomputer as the core of the system to control and calculation processing. Combining ultrasound flow meter threshold is model and the ultrasonic signal zero from its voltage amplitude change the advantages of influence, and puts forward the zero threshold is model, threshold model can effectively remove is receiving receivers ultrasonic signal to the disturbance signal before, and with the ultrasonic zero voltage amplitude variation and change, combined with the advantages of both static time difference can effectively restrain the scope of the big changes. At the same time the pulse counts circuit design, eliminate some of the interference. GP2 use internal propagation delays of signals through gates to measure propagation time of system. The GP2 through the chip, and traditional high-speed counter, it is characterized by high precision, and can be in 1 MHz frequency complete circuit, to avoid the interference of high frequency circuit complex problems, effectively improve the flow meter measurement accuracy and stability. In the design software, to improve the time the measurement precision, eliminate interference, set up effective time interval, invalid time and reducing the effects of the interference. To reduce power consumption, intermittent shut off the power amplifier, save the battery power, extended the replacement battery cycle.Keywords: ultrasonic flow-meter with time difference method; low power; measurement precision; MSP430目录1 引言11.1 本课题研究的目的和意义11.2 国内外研究情况及其发展21.3 本设计的主要研究内容72 超声波流量计的原理与分类92.1 流量仪表的基本概念92.2 超声流量计分类及应用特点102.3 时差法超声流量计工作原理132.4 流体状态对时差法超声流量计精度的影响152.5 本章小结173 超声换能器的研究与设计183.1 超声换能器的总体介绍183.2 超声换能器参数指标193.3 压电陶瓷晶体的谐振特性193.4 超声换能器的电匹配及其实现203.5 本章小结214 时差法超声流量计系统功能的实现224.1 系统的构成224.2 微处理的选择234.3 计时模块244.4 切换开关及驱动电路274.5 信号处理部分294.6 LCD显示模块374.7 接口模块374.8 电池电量检测模块394.9 稳压电路模块404.10 时钟模块414.11 按键电路414.12 软件功能分析424.13 本章小结455. 水表功能介绍465.1 硬件方面465.2 软件方面475.3 误差的基本理论475.4 抗干扰措施496 总结及展望526.1 总结526.2 展望52参考文献54附录 基于超声波传感器的水流量计电路图56致谢57山东科技大学学士学位论文1 引言1.1 本课题研究的目的和意义我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。在全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有110个，全国城市缺水年总量达60亿立方米。不仅如此，水资源在全国范围的分布严重不均。占全国面积三分之一的长江以南地区拥有全国五分之四的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足五分之一的水量，其中西北内陆的水资源量仅占全国的4.6。我国多年平均降水量约6万亿立方米，其中54即3.2万亿立方米左右通过土壤蒸发和植物散布又回到大气中，余下的约有2.8万亿立方米绝大部分形成了地面径流和极少数渗入地下。这就是我国拥有的淡水资源总量，这一总量低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。但因人口基数大，人均拥有水资源量是很少的，仅为 2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。专家预测，我国人口在2030年将进入高峰时期，届时人均水资源量大约只有1750立方米，中国将成为严重缺水的国家。从20世纪70年代以来就开始闹水荒，这不是危言耸听，而是客观存在的事实。80年代以来，中国的水荒由局部逐渐蔓延至全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重影响。目前，世界 80多个国家和地区约16亿人口面临淡水资源供应不足；25多个国家近 3 亿的人口生活在严重缺水状态。预计到 2030 年，全球近 40多个国家和地区，约 35 亿人口生活在严重缺水状态。水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高。面对这种严峻的现状，各国政府都采用相应的制度措施，来应对这一问题，例如采用民用水电的阶梯收费，那么就需要高精度的仪表对流量进行准确的测量，在这种背景下，超声流量计以自身测量方式简单、计量精度高、无接触测量等优点应运而生。超声流量计可以实现与流体的非接触式的计量，无阻流件，无压力损失，精度高，功耗低，可实现多种流体的(气体、液体以及含少量杂质的流体等)测量，而且具有受干扰较小的优点，但是目前超声流量计的市场价格还比较高，超声流量计的推广受到很大限制。超声波流量计不仅适用于对生活用水、工业废水及废气等准确计量，而且也适用于粘度较大、杂质含量较高液体的准确计量。在国外，超声流量计被广泛应用到居民日常生活中，由于价格问题，我国仅在应用在工业领域，而且高精度的超声流量计主要还是靠进口。研究一种低成本、测量精度高、低功耗的超声流量计有着很好的经济效益和社会效益。本文对流体状态和超声换能器进行了分析研究，从而为提升超声流量计奠定了理论基础，另外本文从硬件和软件算法的改进来进一步提升计量精度、降低系统功耗，最后采取抗干扰措施来提高系统的稳定性，并提供了低成本、高精度的设计方案。1.2 国内外研究情况及其发展1.2.1 家用水表发展历程及分类水表是指记录流经封闭满管道的可饮用水的计量仪表，水表的指示装置一般只显示通过水表的水体积总量，它可以安装电子传感器来实现水量信号的传输。在家庭设置水表目的在于计算水量，节制用水，同时还有在生产上核算成本的作用。在地域水资源不丰富，能源也不充足的情况下，节约用水尤为重要。（ 1 ) 发展历程从 1825 年英国的克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的发展已有近两百年的历史。水表的结构先后出现了往复式单活塞式水表、旋转活塞式水表、圆盘式水表、旋翼式水表和螺翼式水表（又称沃特曼水表）等形式。随着现代化制造工艺、材料及电子技术的发展促进了水表技术的飞速发展。目前水表的工作原理和基本结构仍在水表制造企业中广泛使用，但是在水表的外形设计、制造工艺和材料选择等方面做了不断的改进，即提高了水表的计量精度和可靠性，又降低了制造的成本。我国水表的使用和生产起步较晚。1879 年，李鸿章操办海军，在旅顺口创建了我国第一家水厂，水表开始进入我国。20 世纪 30 年代，当时的上海光华机械厂（现上海光华仪表厂前身）等厂家从国外进口部分零件开始生产水表。但是，当时我国的水表行业主要还是由国外的一些厂家操控，由于不同国家生产水表的标准不一，零件不通用，给当时的城市供水企业的水表维修带来了很大的困难。1949 年解放后，城市自来水事业在政府和城市建设部主管部门关注和支持下，得到了迅猛的发展，我国的家用水表工业也相应地发展起来。从 1955 年起，上海、北京、天津、南京等城市自来水公司逐渐开始生产水表。20 世纪 50 年代后期，上海光华仪表厂开始生产少量的全金属结构、指针读数的速度式水表。20 世纪 60 年代初期在原一机部仪表局的重视下，国家投资建设了两家水表生产厂，即天津自动化仪表三厂和宁波水表厂。之后，又完成了 DN15DN50 小口径多流束旋翼式湿式水表系列和 DN80DN150 多流束旋翼式湿式水表产品的设计及样机试制，从而改变了国内水表种类繁杂的状态。20 世纪 80 年代初，我国水表行业在机械工业部上海市自动化仪表研究所的组织下，根据水表国际标准 ISO 4064 的要求，对小口径水表又推出了八位指针、整体叶轮的全国统一设计的水表，满足了日益发展的城乡自来水业发展的需求。近年来，市场经济的发展也促使了水贸易结算方式发生着改变。先是总表制，即整座楼仅在进户总管上设一水表，用户之间用水多少无法明确，而费用按户均分，这就造成水浪费，也导致了邻里矛盾，现在推行的是“一户一表”制，减少了用户间因用水不均而产生的纠纷，也减少了用水量。（ 2 ) 分类从不同的角度出发水表有不同的分类方法，基本上是按以下这些原则： 按测量原理按测量原理可分为两种：速度式水表和容积式水表。前一类主要是用于实际水量计量；后一类价格较高，主要用于试验。速度式水表是安装在封闭管道中，由一个运动元件组成，水表的动力来源是水流的运动，容积式水表又称活塞式水表，是安装在封闭管道中，由一些被逐次充满和排放流体的已知容积的容室和凭借流体驱动的机构组成的水表，简称定量排放式水表。 计量等级计量等级反映了水表的计量流量范围，尤其是小流量的家用水表的计量性能。按照从低到高的次序，一般分为 A 级表、B 级表、C 级表和 D 级表。我国家用水表的等级要求达到 B 级水平。 按安装方向按安装方式通常可分为水平安装水表和立式安装水表（又称立式表），是指安装时其流向平行或垂直于水平面的水表，在水表的度盘上用“H”代表水平安装、用“V”代表垂直安装。 按介质的温度按介质的温度可分为冷水水表和热水水表，水温 30是其分界线。 远传水表分类远传水表通常是以普通的水表为基表，在上面加装了远传输出装置，远传输出装置可以安置在水表内部或指示装置内，也可配置在外部。可分为两类，一类是包括代表实时流量的开关量信号、脉冲信号、数字信号等，另一类代表累积流量的数字信号和经编码的其它电信号等。远传输出的方式包括有线和无线。 预付费类水表预付费水表是以普通水表作为基表、在上面加装了控制器和电控阀所组成的一种具有预置功能的水表。主要有 IC 卡冷水水表、TM 卡水表和代码预付费水表等。1.2.2 家用水表的问题和难点家用水表多是机械旋翼式，下面对这种水表在制造和使用中遇到的问题和难以发展的因素做一介绍：( 1 ) 水表始动流量大水表的始动流量（又称灵敏度）是各方尤其是供水公司比较关注的技术指标。而目前家用的水表始动流量大，即通常所说的“大管小流不走表”，这是由旋翼式水表的原理造成的。( 2 ) 不流水水表自走现象由于管道加压混入空气和水温变化等原因，水管会存有空气，会造成安装在某些位置的水表在不流水时也会有缓慢的走表现象。目前结构的旋翼式水表无法从根本上解决这一缺陷。( 3 ) 漏损率高 在我国一般城市的漏损率可达到 30%，最高可达 40%。( 4 ) 检定和维修周期短旋翼式水表由于有旋转部件，大流量高流速时磨损很快，降低计量准确度，因此需定期检修、标定，检验周期一般是一年。( 5 ) 准确度低根据水表相关规程，水表准确度等级为 2 级，用分段（高区和低区）误差限要求来表示。从最小流量到分界流量的低区误差要求为5%，从分界流量到最大流量的高区误差为2%。根据目前流量计的准确度等级，机械式水表的准确度较低。1.2.3 计量水的流量计简介下面简要介绍几种用于水量计量的流量计：( 1 ) 电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体体积流量的仪表，由电磁流量传感器和转换器两部分组成。电磁流量计测量范围宽，满量程值的流速可在（0.510）m/s 内选定，准确度较高（可达到 0.5%），。电磁流量计的缺点是不能测电导率很低的液体、含较多较大气泡的液体等。20 世纪 7080 年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为使用广泛的一类流量计。( 2 ) 差压式流量计差压式流量计的测量原理是，在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，则管内流束在通过该节流件时就会造成局部的收缩，即会产生一定的压力差，在一定的流体参数情况下，这个压力差与流量之间有一定的函数关系。因此，可以通过测量节流件前后的压力差来测量流量。差压式流量计的特点是比较经济。缺点是压损大、流量比小，对流量计安装的前后直管段要求也较严格。( 3 ) 涡街流量计涡街流量计又称旋涡流量计，是利用流体振动原理来进行流体测量的。这种流量计在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速（或流量）有一定的关系。涡街流量计的优点是结构简单牢固，安装维护方便，准确度高，压损小；缺点是在外界产生的振动信号对其测量信号有一定的影响，对于低速流动的流体由于产生的流体振动信号强度不足，且不适合低雷诺数（介质粘度高、口径小）的测量，对流场要求高。( 4 ) 超声波流量计超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波信号的影响来测量流体流量的仪表，可做非接触测量，安装时无需截断流体。超声波流量计为无流动阻扰测量，无额外的压力损失。超声波流量计测得的流量是通过测量超声束的传播时间，以及从实际测量的管道和声道等几何尺寸计算求得的仪表系数，最终计算出来的，属于间接测量。因此，采用的测量方法准确程度决定了整个测量精度度的高低。1.3 本设计的主要研究内容本设计是围绕超声流量计精度的提升、功耗的降低进行展开工作的，在精度的提升方面，首先是从超声换能器以及流体状态分析、流速补偿角度来提升计量精度，其次从超声流量计硬件系统角度对传统信号处理部分进行改进；在降低功耗方面，从硬件和软件的角度出发完成整个超声流量计系统功耗的降低。叙述了课题研究的背景、意义、目前的国内外现状以及发展趋势，以及设计的来源以及内容和安排。然后对超声流量计做了介绍，包括超声流量计的分类，时差法超声流量计测量原理以及流体状态对超声流量流速的影响，并得到经验修正系数。在超声换能器的选择上，先对超声换能器做了总体的介绍，分析了换能器参数、换能器晶片的谐振特性及对超声换能器声、电匹配的实现的过程。对于时差法超声流量计功能的实现，从系统角度分析超声流量计的每个模块的工作原理及实现过程，包括微处理器的选择、计时模块、切换开关以及驱动电路模块、稳压电路模块、电池电量检测模块、信号处理模块等。对超声流量计功耗的以及精度做了定量分析，所设计的超声波水表的精度主要取决于时间差的测量，为提高时间精度在硬件电路设计时尽量采用高精度的原件，换能器的工作频率于1MHz，在此频率时，分立原件很难有较高的精度，故采用TDC-GP2测时芯片，单次测量的误差在50ps，为水表的精度提供了保障，软件方面，为排除干扰设置阈值检测的有限时间和无效时间。功耗方面选用低功耗的芯片，并用软件在相应时间关断放大器等器件，保证水表在B级精度范围内。592 超声波流量计的原理与分类 2.1 流量仪表的基本概念2.1.1 流量的基本概念流体在单位时间流过管道或设备的某处截面的数量称为流量。流过的数量按体积计算的称为体积流量，(或容积流量)用符号Q表示;按质量计算的称为质量流量，用符号G表示。设流体通过管道或设备某处横截面积中的某以微小面积为dF，并将通过该微小面积的流量取为v，则通过微小面积dF的体积流量dQ为 (2.1)根据式(2.l)，可求出流过横截面的体积流量 (2.2)如果所截面上的各点流速相同，则从式(2.2)可知体积流量 (2.3)事实上界面上的各点速度并不相等，因此引入平均流速的概念 (2.4)质量流量G可用体积流量Q和流体的密度户之积来表示 （2.5）某段时间内流过的流体的总量称为累积流量，等于在该时间内对时间积分。与累积流量相对应的流量称为瞬时流量。2.1.2 超声波流量计的基本概念超声波流量检测是超声应用的一种，主要是声速测量技术的应用。超声波在流动的流体中传播时就会载上流体流速的信息，超声波在运动的流体中传播与在静态流体中比较时，相对于管道壁(视为固定坐标系)，波束的某些物理特性会发生变化，在静态的基础上又增加了流体流速的信息，因此通过接收到的超声波信号就可以检测出流体的流速，进而换算成流量。2.2 超声流量计分类及应用特点根据检测的方法，可分为传播速度差法(直接时差法、相位差法、频差法)、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等，其中传播速度差法应用较为广泛。2.2.1 多普勒法超声流量计当波源产生的波(声波、电磁波、光波等)向观察者方向传播时，接收者接收波的频率会增大；当波源背离观察者的方向传播时，接收者接收波的频率会减小。当观察者相当于声源有相同的移动时，同样可以得出这种现象。这种现象被称为多普勒效应。由于在流体中含有固体颗粒，固体颗粒可以反射超声波，从而超声波的频率会发生变化，多普勒超声流量计就是利用声波的多普勒原理实现对流速的测量，图 2.1 是多普勒超声流量计的测量原理图。图2.1 多普勒超声流量计的原理图图 2.1 中，A、B 分别代表发射换能器和接收换能器，V 为流体中固体颗粒运动的速度， 为发射声波与颗粒运动的速度方向之间的夹角。 设换能器 A 发射的超声波频率为 fa ,经过流体中固体颗粒散射，散射超声波所产生的多普勒频移为 fm ，换能器 B 所接收到的超声波频率为 fb，超声波传播速度为 V，根据多普勒效应定理可知 (2.6) (2.7)由于声速大的多，所以（2.7）可简化为 (2.8) (2.9)通过式（2.9）可以计算出流体的运动速度，然后通过流速与累计流量的关系可以计算出累计流量 。多普勒超声流量计可以实现非接触测量，无流体的阻碍装置，无压力损失，但是其只应用在含一定杂质或气泡的流体，不适合对纯净流体的测量，测量的精度不高，广泛用于在污水处理、含有泥沙液体的测量。 2.2.2 传播时间法超声流量计 超声波在流体中传播时，当流体的流速增加时，顺流方向的超声波传播速度将会变大，而逆流方向的超声波传播速度将减小，所以对同一固定传播距离(两换能器之间的距离)在顺逆流时有不同的传播时间。传播时间法超声流量计就是利用顺逆流传播时间的差值与流速有一定关系而实现对流体的测量。按照实际测量的具体参数可把该超声流量计细分为：(1)时差法超声波流量计；(2)频差法超声波流量计；(3)相位差法超声波流量计。 本文主要研究的是时差法超声流量计，所以本文在 2.2 节着重介绍该超声流量计的。2.2.3 互相关法超声流量计 互相关法超声流量计利用超声波信号的相关性理论而实现对流体的测量，流速的计算表达式与超声波传播速度没有关系，该测量方法比较适合于流速干扰大的流体计量。在管道中，运动的流体会对超声波信号进行调制，调制后的超声波信号包含有流体流速的信息，通过相关性的理论就可以对该信息进行提取，从而可以计算出流体的流速。测量过程如图 2.2，在管道的上下游依次安装两对换能器 A 和 A1、B 和 B1，其中 A、B为发射超声换能器，A1、B1为接收超声换能器，换能器 A 与 B 之间的距离为 L。 图2.2 相关法超声流量计测量原理图管道有流体流动时，超声波信号在流体中传播会受到流体流速的调制，分别对 A1、B1 接收的被调制的超声波信号进行采样，得到信号 x(t) 、y(t)，这两个信号包含流体流速的信息。信号 x(t) 、y(t)只是时间域上滞后的区别，把两者作相关的计算，其互相关函数为 (2.10)当互相关函数 Rx y的数值为最大值时，此时函数 y(t)为信号 x(t)的延迟时间0，y(t)= X(t-)，所以流体的流速为 (2.11)通过式（2.11）可以计算出流体的运动速度。 2.2.4 超声波束偏移法超声流量计 超声波束入射方向与流体流动的方向垂直时，当流体在管道中流动时，超声波束会受到流体流速场的调制产生偏移，该偏移量与流体的流速有一定的关系，波束偏移法超声流量计就是利用该原理测量流体的流速的。 图2.3 波束法超声流量计原理图测量原理如图 2.3，当管道中的流体静态时，发射换能器 S1 发射的超声波，垂直于流体流动的方向，超声波束如实线所示，接收换能器 S2 和 S3 接收的超声波的电压幅度相同，当管道的流体流动时，发射的超声波束发生偏移如图中虚线所示，接收换能器S3 接收的超声波信号电压幅度变大，而接收换能器 S2 接收的信号电压幅度变小，两个电压的比值与管道中的流速成一定的比例关系，根据该比值的大小就可以直接测量流体的流速的变化，从而求出流体的流速。 2.3 时差法超声流量计工作原理时差法超声流量计工作原理如图 2.4 所示， 为流速方向和超声波传播方向的夹角，当 为锐角时，称之为顺流；当 为钝角时，称之为逆流。超声波信号在动态介质(流体)中，与静态介质(流速为零)相比，顺流时信号传播速度增加，传播时间减小，同样逆流时超声波信号传播速度减小，传播时间增加，从而顺逆流方向超声波信号传播时间存在一个差值(即时差)。时差法超声流量计就是根据介质的流速与时差存在一定的线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，计算出时间差，再根据流速与其线性关系，可以求出瞬时流速，进而可以求出瞬时流量以及累积流量。图 2.4 中，S1、S2 分别为两个超声波换能器，V 为液体流速，D 为管道直径， 超声波进入液体的入射角。t1 为换能器 S1 发射、S2 接收时，超声波在管道中传播时间，即顺流时间；t2 为换能器 S2，S1接受时，超声波在管道中的传播时间，即逆流时间。图2.4 时差法超声流量计原理图超声流量计顺流时间 t1 和逆流时间 t2 分别用下式计算，即 （2.12） （2.13）其中 C 为超声波信号在水中的声速， 为信号在换能器及硬件电路中的时间延迟。设 T 为顺逆流时间差，则 （2.14）因常见液体中声速要大于1000m/s,而液体流速小于10m/s,即C 2 V2,所以(2.10)式可以简化为 （2.15） （2.16）通过(2.16)式可求出瞬时流量， （2.17 ）式(2.17)中，K 为流速分布修正系数，S 为管道截面积，D 为管道直径。2.4 流体状态对时差法超声流量计精度的影响2.4.1 管道内流体流动状态实际管道中的流体的流动十分复杂，这将会对测量带来误差，因此需要对管道内的流体流动状态进行研究。( 1 ) 管道雷诺数雷诺数是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲数，是表征流体流动状态特性的一个重要参数，它由下式给出 (2.18) 式中 Re-管道雷诺数; u-管内平均流速(mls); D-管道直径; v-流体的运动粘度。从上式(2.18)可知，管道雷诺数的大小和流速、特征尺寸、流体粘度二个参数有关。如果雷诺数小，说明管内流动占主要地位的是粘性力，流体平行十管道内壁有规则地分层流动，流动为层流流动状态。相反，如果雷诺数大，说明管内流动占主要地位的是惯性力，流体为湍流流动状态。当管道雷诺数Re 2320认为是层流状态，而当雷诺数大于此值时，流动将开始转变成湍流状态。层流向湍流转变的临界雷诺数不是一个常数，随外部条件变化，如液体在进口处的扰动大小，圆管入口的形状及管壁粗糙度等。( 2 ) 流速分布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布，它是通过多很直线之末端的一根曲线(或曲面)。这些直线沿着直径(或横截面)各个点上画出来的，它们平行十管道轴线并且在长度上比例于各点的轴向速度。如图 2.5图2.5 (a) 理想流体流速分布 (b) 实际流体流速分布根据管内的流动状态不同，管内流体的流速分布主要有两种模型，分别为层流流动和湍流流动。在层流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个抛物面;在湍流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个指数曲面。典型的管内流速分布，是指管内流体通过足够长的直管段后形成的，并非管内流动都是这样分布的。一般情况下，由于各种干扰，管内流速分布总是要偏离典型的流速分布响。这正是许多流量计需要足够长的直管段的根本原因。对于流速分布修正系数K值，也可以采用经验算法, 本文设计的流量计是用在家庭水流量的计量，家用自来水的流速相对较小为了简化计算，本次设计中流量修正系数K统一取4/3。2.5 本章小结本章首先介绍了超声流量计的分类、各种流量计的工作原理、优缺点，重点分析了时差法超声流量计测量的数学公式及理论分析，通过对流体状态的了解，得出了流体在层流和紊流状态下的修正系数，提高了计量精度，为超声波精度的提高做了理论基础。3 超声换能器的研究与设计3.1 超声换能器的总体介绍换能器是一种实现能量转换的器件，即将一种形式能量转化到另一种形式能量。超声换能器就是基于这个原理，实现声能、电能之间的互相转化。一般情况下，换能器可以作为接收换能器也可以作为发射换能器，由于物理效应，使得换能器的磁场或电场系统发生相应的变化，从而在接收换能器的两端产生超声波对应的电信号。原理如图3.1图3.1 压电陶瓷晶片原理图超声波换能器种类繁多，压电陶瓷换能器为最广泛的应用之一。其主要优点如下： ( 1 )内部结构比较简单，很容易被驱动信号驱动，很高的机电转换效率，一般可达到 75%以上。 ( 2 )在高频的范围内得到广泛应用，压电超声波换能器类似于一个钢性活塞均匀的振动发声器件，而低频振动的电动扬声器等其他类型换能器，做到这一点比较困难； ( 3 )压电陶瓷成型比较容易，形状多样，可以加工成圆盘、圆环等各种形状3.2 超声换能器参数指标目前，超声换能器以压电超声换能器为主，其核心部分是压电晶片，作用为可以发射和接收超声波信号，应用最为广泛的是小功率的换能器，应用在超声探测领域。根据其内部结构的不同，超声换能器可分为横波换能器、纵波换能器、表面波换能器等。换能器的主要参数有： ( 1 ) 灵敏度：接收和发射换能器的灵敏度是由内部晶片的机电耦合系数所决定，灵敏度随机电耦 合系数的增大而增大，该参数对小功率换能器的稳定性很有意义。 ( 2 ) 热稳定性：热稳定性指超声换能器的性能随温度而变化的特性。该参数决定了超声换能器热稳定性，该参数越小越好。 晶片抗压强度 换能器内部的晶片会受到外界压力的影响，如果压力超过了一定的强度，晶片就会 受到损坏。 3.3 压电陶瓷晶体的谐振特性各种压电换能器是基于压电效应原理制作而成，其中最重要的是利用压电陶瓷晶体的谐振特性机理。压电陶瓷是一个带有弹性的晶片，存在自身固有谐振频率点，当外界驱动信号的频率与其固有的谐振频率相等时，陶瓷晶片就会产生机械振动，当达到谐振时，振子的振动幅度最大。同时，压电陶瓷晶片具有逆压电效应的特性，所以可以采用逆压电效应，如图 3.2所示，对其测试方法为：逐步增加由信号发生器产生的正弦波信号频率，在这一过程中，测量压电陶瓷晶片的电流随驱动信号频率的变化。 图3.2 谐振特性电路示意图一般我们使用的是压电陶瓷晶片的谐振频率点。由谐振理论可以知道，压电陶瓷晶体在最小阻抗频率 fm 附近，有一个使得电压与电流相同相位的频率点，该频率点称为谐振频率；同时，在最大阻抗频率 fn 左右，也同样存在一个使得信号电压与电流相同相位的频率点，该频率为反谐振率。 3.4 超声换能器的电匹配及其实现压电陶瓷晶片在高频交流的驱动信号下，其谐振的动态特性与 LC 谐振回路十分的相似，其等效电路如图 3.6 所示。 图3.3 压电陶瓷晶片动态等效电路图图 3.3 中，C0为等效静态电容，L1为等效动态电感，C1为等效动态电容，R1 为等效动态电阻。 根据交流电路的原理以及图 3.6 可以计算出晶片的串联谐振频率点 （3.1）并联谐振点的频率 fp 为 （3.2）基于上述分析可以知道，驱动信号经过匹配电路使得压电陶瓷晶片工作在串联谐振点或者并联谐振点，使得发射超声换能器的发射的声能最大，可以增大弱信号的能量，对提高计量精度很有意义。3.5 本章小结本章对压电超声换能器作了总体的介绍，包括起源、优点和制作材料；分析了超声换能器的参数，另外对压电陶瓷晶体的谐振特性作了研究和分析，为谐振频率点的选择奠定了基础；最后本章着重研究了超声换能器的声学特性、声匹配以及声匹配的实现过程，本章同时分析了电匹配的作用，为超声换能器的驱动模块提供了指导作用，通过超声换能器的声、电匹配，发射和接收的超声波信号比较稳定，为信号处理奠定了基础，提升了计量精度。 4 时差法超声流量计系统功能的实现4.1 系统的构成本设计的总体框图，包括单片机控制模块、计时模块、模拟开关切换模块、信号调理模块、LCD 显示模块、接口输出模块、电池电量检测模块、时钟模块、电源模块，通过整个系统参数的合理选择及调试，可以实现对流体的高精度计量。图4.1 硬件框图如图4.1所示，系统主要由以模拟电路为主的信号调理电路，以TDC-GP2为核心的脉冲发射和计时电路，以单片机为核心的控制电路，下面将详细的介绍各部分的硬件组成和功能。4.2 微处理的选择 从低功耗、高稳定性、简化电路的角度考虑，本课题选择 MSP430 系列的单片机作为系统的微处理器，该系列单片机是 TI 公司推出的一种超低功耗的 16 位工业级微处理器，主要应用在低功耗仪器仪表方面，其主要优点有： 超低功耗性能 该微处理器可以在 1.8-3.6V 的范围工作，系统工作主频在 1MHz的状态下，耗电电流在 0.1-400uA，电流的大小是与工作模式有关的；具有灵活的时钟系统，具有 5 种低功耗模式，可以实现超低功耗的性能，在休眠的状态下，工作电流仅有 0.8uA；MSP430 在功耗方面可以达到 1uA 的 RAM 数据保存，8uA 的时钟模式，250uA/MIPS 的工作状态，在时钟激活的 STASDBY(旁观模式)下，工作消耗电流仅为1.6uA。 处理能力强大 ：MSP430 为 16 位的微处理器，采用 RSIC 的结构，具有丰富的寻址方式、 间接的指令以及大量的寄存器。处理速度很快，另外采用了硬件乘法器，这样大 大提高了微处理器的运算速度。 丰富的外设资源 MSP430 具有丰富的外设资源，这可以大大方便简化电路。例如定时器、FLASH 存储单元、液晶的驱动模块、看门狗等等。 系统比较稳定 ：MSP430 在进行上电复位时，DCOCLK 自动启动作为系统主时钟，从而保障了代码的正确执行，可以保证了晶振振荡稳定的时间，系统稳定后，可以通过软件来调节MSP430 的主频时钟。在微处理运行发生故障时，DCOCLK 也会自动启动，保证系统的正常运行。另外系统还具有看门狗模块，可以通过软件进行设置，一旦系统代码跑飞，看门狗会自动溢出，使系统复位，从而可以保证了系统的稳定性。 本设计采用MSP430F417:32KB+256B Flash Memory，1KB Ram。功能框图如图4.2。图4.2 功能框图4.3 计时模块 为了使得时差法超声流量计计量精度达到 1%，量程比达到 50 多倍，那么时间差的波动范围应在100ps，如果想精确测量这么小的时间，那么计时器的频率应达到 10GHz，对于现在的数字电路实现这么高的频率比较困难。另外用数字模拟电路搭建的计时模块功耗比较大，也难以满足本课题低功耗的要求，所以基于计量精度和低功耗角度考虑，本课题选用了集成芯片 TDC_GP2 来测量超声波在流体中传播的顺逆流时间。该芯片是德国 ACAM 公司研发的 TDC 系列新一代的产品，具有精度更高，封装更小等优点，其功能模块如图 4.3。 图 4.3 TDC_GP2 模块图 TDC_GP2 芯片采用测量方式 2 时间分辨率可达到 50ps，测量范围比较大 (500ns4ms)，对 stop 信号可进行 3 次采样，3 次采样的信号可以设置去噪声窗口过滤，输入信号可以选择上升沿/下降沿单独触发或者两者同时触发，而且具有超低功耗功能，测量一次的电流仅有 0.08uA，芯片内部主要模块有：SPI 四线通信接口、脉冲发生器、时间测量模块(TDC)，控制单元、ALU 以及时钟校准模块。 PI 通信接口 TDC_GP2 和微处理器是通过 4 线的 SPI 接口进行的。 脉冲发生器 脉冲发生器可产生频率、相位和脉冲个数都可以调节的脉冲系列，该脉冲序列经过电匹配就可以作为超声驱动信号。外部高速晶振频率可以作为基本频率，这个频率可以进行分频，可以自由产生 115 个脉冲序列，每个系列都可以配置寄存器自由改变其相位，可以通过指令来激发脉冲发生器工作，最终可以产生 Fire1 和 Fire2 两个脉冲系列，每个脉冲序列都有 48mA 的驱动能力，如果两序列并行输出可达到 96mA 的驱动能力。脉冲发生器的产生脉冲序列的原理如图 4.4，图4.4 脉冲发生器原理图 图 4.4 中，CLKHS 为高速时钟晶振产生的频率，CLKHS_DIV 为 CLKHS 的分频系数ff，ireclk1为脉冲发生器的输入频率f，fireclk2为脉冲发生器的输出频率，DIS_PHASESHIFT为是否激活相位移相功能，DIV_FIRE 为内部基准时钟的分频因数，PHASE_FIRE 为对脉冲进行相位的反转，CONF_FIRE 为脉冲触发器的输出设置。时间测量模块： 本设计采用测量方式2，只有一个Stop通道对应于一个Start通道，具有3次采样功能，分辨率为50ps。测量方式2扩展了最大的时间间隔，在该测量方式下，TDC不是测量整个时间间隔，而是从Start或Stop信号开始测量，到相邻的参数时钟上升沿的时间间隔(fine counts)，在两次细测量中间，同时记录下参考时钟的周期个数(coarse counts)，因而测量方式2测量的时间是精密测量和粗测量时间的总和，测量原理如图4.5。 图4.5 测量方式2原理图4.4 切换开关及驱动电路 时差法超声流量计需要测量超声波信号在管道流体内传播的顺流时间和逆游时间，顺逆游时间的测得需要两换能器交互成为发射换能器和接收换能器。对于一个电路系统，由于低功耗和电路对称性的考虑，使用一个驱动源和一个信号处理电路模块，这就需要使用模拟切换开关使驱动源和信号处理电路分别和不同的超声换能器相连，已达到两换能器依次作为发射换能器和接收换能器的目的，对于同一时刻，一个换能器为发射换能器，另外一个必定为接收换能器。 本课题采用的模拟开关型号为TS3A44159，其特点为：单电源供电，供电范围为1.654.3V；导通时的电阻为0.4；带宽为35Mz；工作电流0.4uA；当IN=0时，NC与COM相连；当IN=1时，NO与COM相连。 图4.6 切换开关电路图 图4.6中，Ctr1、Ctr2为控制引脚，COM1为驱动信号，S1、S2分别接收到的超声波信号。 微处理器的I/O引脚通过Ctr1、Ctr2标号与模拟开关的IN1-2、IN3-4控制引脚相连，可以实现控制换能器A和换能器B交替作为发射换能器和接收换能器，其控制编码如表4.1接收的超声波信号S1、S2供下一级信号处理，通过模拟开关的切换可以测量顺逆流时间。 Ctr1Ctr2 换能器A，B状态 1 0换能器B为发射换能器，换能器A为接受换能器 0 1换能器A为发射换能器，换能器B为接受换能器 0 0 无接收信号 1 1表4.1 切换开关工作编码 超声换能器的电匹配是通过驱动电路对驱动信号进行调制，使超声换能器工作在谐振的状态，从而可以使发射的超声波信号比较稳定、功率比较大，测到的顺逆流时间波动比较小，比较稳定，最终整个系统工作比较稳定，匹配电路如图4.7。 图4.7 驱动电路 图4.7中，左侧为超声换能器的等效电路图，驱动电路的总阻抗Z为：（4.1）式(4.1)中，调节C2和L2大小使其满足式(4.2)和(4.3)，超声换能器处在谐振状态。 （4.2） （4.3） 4.5 信号处理部分 由于换能器接收到的超声信号比较微弱，而且超声波流量计工作环境比较复杂，所以信号处理的好坏直接关