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1、01 绪论超声波流量检测技术是近年来迅速发展起来的新技术，它利用超声波在流体中传播所载的流体流速信息来测量流体流量。与传统的涡街、电磁等流量计相比，超声波流量计具有非接触、无压损、精度高、造价低、结构简单、测量范围宽等特点。尤其是超声波流量计体积小、造价与口径无关，它解决了工业测量中大口径测量设备制造、运输困难和造价高的突出问题，使它特别适合临时管道、大口径管道的流量测量，在工业供水系统中得到了广泛应用。1.1 流量计的发展概况几千年前，人们为适应农业灌溉和水利建设的需要，已开始关注流量测量问题，古埃及出现了堰的雏形，我国都江堰在那时也已经知道利用宝瓶口岩壁上所刻“水则 ”，来观察水位，以进行
2、控制。18 世纪以来，人们对流量测量的研究水平不断提高，各种流量测量理论和测量装置层出不穷。1738 年，瑞士人丹尼尔伯努利以伯努利方程为基础，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年发表了研究结果;1886 年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。20 世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。自 1910 年起，美国开始研制测量明渠中水流量的槽式流量计。1922 年，帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽。1911 一 1912 年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论。1945 年，科林用交变磁场成功地测量了血液流
3、动的情况。由于经济生产落后，直到二十世纪 50 年代，工业中使用的主要流量计也只有孔板、皮托管、浮子流量计三种。二十世纪 60 年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在 70 年代问世。微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。近 30 年来，后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种新型流量计。目前国外投入使用的流量计有 100 多种，随工业生产的自动化、管道化的发展，流量计在整个仪表生产中所占比重越
4、来越大。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外1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，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60 年代开始涡轮、电磁流量计的生产，时至今日，我国已成一个相当规模从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业。但是我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计的技术水平与国际先进水平有较大的差距。随着国内市场的国际化，我国流量仪表工业面临着更加严峻的挑战。因此，开展高性能流量计的研究、开发及产业化，对促进我国流量仪表行业的发展，增强产品的国际竞争力，具有十分重要
5、的意义。1.2 超声波流量计的发展概况超声波流量计(Ultrasonicflocter) 是一种向流体发射超声信号，在其受到流体流动影响之后再接收此超声信号并将检测结果用于流量测量的计量器具。H1928 年德国人研制成功了第一台超声波流量计，但此流量计仅限于研究阶段;直到 1955 年，一种基于声循环法的 MAxsoN 超声波流量计开始用于测量航空燃油 l3，超声波流量计从研究阶段进入应用阶段。前苏联在这方面的研究是独立进行的，其第一台超声波流量计出现在 1956 年。1958 年 A.L.H 一ERDRIcH 等人发明折射式探头，进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，为管外夹装提供理
6、论依据。20 世纪 70 年代，由于集成电路技术的发展，超声波流量计克服了精确度低、响应慢、稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。80 年代超声波流量计出现了射束位移法，多普勒法，相关法及噪声法等。90 年代以后，随着单片机、DSP、FPG、CPLD 等技术的发展，超声波流量计向高性能和智能化方向快速发展，超声波流量计开始进入工业测量领域。近 10 年来，由于数字信号处理、超声换能器材料、声道配置以及流体动力学等学科研究水平的提高，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。目前超 声波流量计正在向高精度、多功能、智能化、低功耗、低成本方向发展。国外
7、的超声波流量计研究机构和生产厂家多在美国、欧洲和日本，他们的产品精度高、可靠性好，但价格昂贵。目前，国外超声波流量计生产厂商主要包括美国的 Daniel、Controlotron ，德国的 Elster、Kemel，荷兰的 xnstent，日本的 Toshiba、Fuji 等公司。我国的超声波流量计研究工作起步较晚，通过广大科技工作者的不懈努力和引进外国先进技术，国产的超声波流量计也开始批量生产并投入使用。目前，国内从事超声波流量计的研究与制造的厂商主要有唐山的汇中、美伦、惠斯特，2大连索尼卡、海峰、铭锐等公司。1.3 选题依据及研究意义随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来
8、越多、越来越高的要求。在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。超声波流量计是 20 世纪70 年代随着 IC 技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及
9、到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具 2。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用最为普遍。超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间(速率)会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的方法。时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。1.4 本设计的主要工作本文围绕堰式超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部
10、分的组成和设计原理。本文内容由以下 5 部分组成:（1）分析了超声波工业水表的发展现状及工作原理，并说明了超声波测流量的优点。（2）超声波工业水表的发射电路设计；（3）超声波工业水表的接收电路设计以及显示电路设计；（4）超声波工业水表的软件设计；（5）总结论文完成的内容，并针对不同的场合提出了改进方案。32 方案论证与设计2.1 系统方案选定2.1.1 采用单片机来控制的超声波工业水表采用单片机来控制的超声波工业水表是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，记下顺流是的时间和逆流的时间，根据
11、时间算出流速。F 原理框图如 2.1 所示：开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测 电声换能器电声换能器驱动电路图 2.1 采用单片机来控制的超声波测距仪2.1.2 采用 CPLD 来控制的超声波工业水表采用 CPLD 来控制的超声波工业水表，主要是在软件上运用 VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用 MAX+plus II 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM712
12、8SLC84-15 的 CPLD 器件，其最高频率可达 175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时4序逻辑电路、算法、双端口 RAM 等的设计。充分利用了其多达 128 个宏单元、68pin 可编程 I/O 口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测速结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块 FPGA,一块双口 RAM,还需要一块用来存储波形数据的 EEPROM，那么设计的成本较高。同时在 FPGA 中还要用硬件描述语言(VHDL 语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于 EPM7128SLC84-15 的算法复杂，所以在软件实现起
13、来编程也复杂。2.1.3 采用锁相环频率合成技术采用锁相环频率合成技术，也可以实现我们所需要的超声波工业水表。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生超声波所需要的频率，在通过信号线将采用锁频率相合成技术得到的频率引到超声波的发射头上，这样就可以实现超声波测距。它的优点就是工作频率可调，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是要求使用的滤波器通带可变，实现很困难。它的原理如图 2.2 所示。fm图 2.2 锁相环频率合成技术总框图2.2 系统总体原理框图基于单片机的超声波工业水表。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号
14、引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，算出顺流和逆流的时间，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发流量管速度(s)，即：，其中，D 为换能器与障碍物之间的距离，C 为波声传播速度，T 为超声波发射到返回的时间间距。本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52 单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路晶振 整形电路R 分屏 鉴相器FDFD环路滤波器LF压控振荡器 VCO可变分频器N5和数字电路构成超声波
15、发射、接收模块。由键盘，LCD 显示构成人机对话通道，构成由单片机最小系统来控制的超声波工业水表，其结构框图如图 2.3 所示。单片机最小系统发射、接收（模拟电路）信号保持（数字电路）按键、LCD显示图 2.3 系统构框图63 系统硬件设计3.1 超声波概述3.1.1 超声波超声波是指振动频率高于 20KHz 的机械波，它可以在气体、液体、固体或固液混合体中传播。与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播，具有很高的穿透能力，在流体中传播时，随着传播距离的增加，能量会逐渐衰减。3.1.2 时差法超声波流量计的基本原理当超声波在流动的介质中传播时，相对于固定坐标系统(例如
16、管道中的管壁)来说，其传播速度与在静止介质中的传播时有所不同，其变化值与介质流速有关。由于超声波脉冲在顺流和逆流中的传播速度不同，其在介质中的传播时间也不同。时差法就是根据超声波脉冲在顺流和逆流中的时间差来计算介质流速的，其基本原理如图 3.1 所示图 3.1 时差法原理图图中换能器 A、B 为两个超声波换能器，均可以发射或接收超声波信号，换能器 B换能器 ADV7采用外夹式安装在圆形管道两侧，介质流动方向如图所示，管道直径为 D，超声波传播方向与介质流动方向夹角为 ，若超声波在静止介质中的传播速度为 C，则超声波顺流传播时间 tAB和逆流传播时间 tBA分别为:（3.1）rVCDABt cosin（3.2）rVBAt cosin其中，D 为管道直径，C 为超声波在介质中的声速，V 为介质流速，t 为声路延时，包括超声波在管壁中的传播时间和信号在电路中的延迟时间。由式(3.1)和式(3.2)可以得到超声波在介质中顺、逆流传播的时间差ABtt（3.3）cosin22VCDt通常
