基于超聲波的水流量設計)

1、 目前，我國家庭用水的計量多采用機械旋翼式水表，這種水表存在精度低等缺點。本文設計了一種基于超聲波技術(shù)的適合家用的水流量計，具有精度高、操作簡單、低成本等優(yōu)點。 本設計的主要工作有兩個方面：一是硬件設計，二是軟件設計。硬件設計系統(tǒng)選用了高精度時間間隔測量芯片TDC-GP2用于時間測量，以及控制發(fā)射脈沖，以超低功耗的MSP430F427單片機作為系統(tǒng)的核心，用于控制及計算處理。結(jié)合超聲流量計閥值比較模型和超聲波信號過零點不受其電壓幅度變化影響的優(yōu)點，提出了過零閥值比較模型，閥值比較模型可以有效去除接收換能器接收到超聲波信號之前的干擾信號，而超聲波過零點不隨其電壓幅度變化而變化，結(jié)合兩者

2、的優(yōu)點可以有效抑制靜態(tài)時間差變化很大的范圍。同時設計了脈沖計數(shù)電路，消除了部分干擾。采用GP2通過芯片，與傳統(tǒng)的高速計數(shù)器相比，具有極高的精度，并可以在1MHz的頻率下完成電路，避免了高頻電路的干擾等復雜問題，有效提高流量計測量精度和穩(wěn)定性。在設計軟件時，為提高時間測量精度，消除干擾，設置了有效時間區(qū)間，無效時間，減少了干擾的影響。為降低功耗，間斷性關(guān)斷放大器電源，節(jié)省了電池電量，延長了更換電池的周期。關(guān)鍵詞：超聲波 時差式超聲波流量計 低功耗 精度目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求32.1設計任務32.2設計要求4三、設計步驟及原理分析43.1設計方法43.2設計步驟53.3設計原理分

3、析8四、課程設計小結(jié)與體會11五、參考文獻127傳感器技術(shù)課程設計一、設計目的我國水資源總量豐富，但人均水資源占有量僅相當于世界人均水資源占有量的1/4，位列世界第121位，是聯(lián)合國認定的“水資源緊缺”國家。在全國600多個城市中，有400多個城市存在供水不足的問題，其中缺水比較嚴重的城市有110個，全國城市缺水年總量達60億立方米。 不僅如此，水資源在全國范圍的分布嚴重不均。占全國面積三分之一的長江以南地區(qū)擁有全國五分之四的水量，而面積廣大的北方地區(qū)只擁有不足五分之一的水量，其中西北內(nèi)陸的水資源量僅占全國的4.6。我國多年平均降水量約6萬億立方米，其中54即3.2萬億立方米左右通過

4、土壤蒸發(fā)和植物散布又回到大氣中，余下的約有2.8萬億立方米絕大部分形成了地面徑流和極少數(shù)滲入地下。這就是我國擁有的淡水資源總量，這一總量低于巴西、俄羅斯、加拿大、美國和印度尼西亞，居世界第六位。但因人口基數(shù)大，人均擁有水資源量是很少的，僅為 2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。專家預測，我國人口在2030年將進入高峰時期，屆時人均水資源量大約只有1750立方米，中國將成為嚴重缺水的國家。 從20世紀70年代以來就開始鬧水荒，這不是危言聳聽，而是客觀存在的事實。80年代以來，中國的水荒由局部逐漸蔓延至全國，情勢越來越嚴重，對農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟已經(jīng)帶來了嚴重影響

5、。 目前，世界 80多個國家和地區(qū)約16億人口面臨淡水資源供應不足；25多個國家近 3 億的人口生活在嚴重缺水狀態(tài)。預計到 2030 年，全球近 40多個國家和地區(qū)，約 35 億人口生活在嚴重缺水狀態(tài)。水資源越來越珍貴，水的價格也越來越高，對水量的計量精度要求也越來越高。面對這種嚴峻的現(xiàn)狀，各國政府都采用相應的制度措施，來應對這一問題，例如采用民用水電的階梯收費，那么就需要高精度的儀表對流量進行準確的測量，在這種背景下，超聲流量計以自身測量方式簡單、計量精度高、無接觸測量等優(yōu)點應運而生。超聲流量計可以實現(xiàn)

6、與流體的非接觸式的計量，無阻流件，無壓力損失，精度高，功耗低，可實現(xiàn)多種流體的(氣體、液體以及含少量雜質(zhì)的流體等)測量，而且具有受干擾較小的優(yōu)點，但是目前超聲流量計的市場價格還比較高，超聲流量計的推廣受到很大限制。超聲波流量計不僅適用于對生活用水、工業(yè)廢水及廢氣等準確計量，而且也適用于粘度較大、雜質(zhì)含量較高液體的準確計量。在國外，超聲流量計被廣泛應用到居民日常生活中，由于價格問題，我國僅在應用在工業(yè)領(lǐng)域，而且高精度的超聲流量計主要還是靠進口。研究一種低成本、測量精度高、低功耗的超聲流量計有著很好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文對流體狀態(tài)和超聲換能器進行了分析研究，從而為提升超聲流量計奠定了理論基礎，

7、另外本文從硬件和軟件算法的改進來進一步提升計量精度、降低系統(tǒng)功耗，最后采取抗干擾措施來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提供了低成本、高精度的設計方案。二、設計任務與要求2.1設計任務設計是圍繞超聲流量計精度的提升、功耗的降低進行展開工作的，在精度的提升方面，首先是從超聲換能器以及流體狀態(tài)分析、流速補償角度來提升計量精度，其次從超聲流量計硬件系統(tǒng)角度對傳統(tǒng)信號處理部分進行改進；在降低功耗方面，從硬件和軟件的角度出發(fā)完成整個超聲流量計系統(tǒng)功耗的降低。敘述了課題研究的背景、意義、目前的國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，以及設計的來源以及內(nèi)容和安排。然后對超聲流量計做了介紹，包括超聲流量計的分類，時差法超聲流量計測量原理以

8、及流體狀態(tài)對超聲流量流速的影響，并得到經(jīng)驗修正系數(shù)。在超聲換能器的選擇上，先對超聲換能器做了總體的介紹，分析了換能器參數(shù)、換能器晶片的諧振特性及對超聲換能器聲、電匹配的實現(xiàn)的過程。對于時差法超聲流量計功能的實現(xiàn)，從系統(tǒng)角度分析超聲流量計的每個模塊的工作原理及實現(xiàn)過程，包括微處理器的選擇、計時模塊、切換開關(guān)以及驅(qū)動電路模塊、穩(wěn)壓電路模塊、電池電量檢測模塊、信號處理模塊等。對超聲流量計功耗的以及精度做了定量分析，所設計的超聲波水表的精度主要取決于時間差的測量，為提高時間精度在硬件電路設計時盡量采用高精度的原件，換能器的工作頻率于1MHz，在此頻率時，分立原件很難有較高的精度，故采用TDC-GP2測

9、時芯片，單次測量的誤差在50ps，為水表的精度提供了保障，軟件方面，為排除干擾設置閾值檢測的有限時間和無效時間。功耗方面選用低功耗的芯片，并用軟件在相應時間關(guān)斷放大器等器件，保證水表在B級精度范圍內(nèi)。此外，要了解超聲波的產(chǎn)生與傳播及其原理，包括什么是超聲波和超聲波的傳播特點，然后講述了超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)與原理及其應用，包括壓電效應，超聲波直式換能器，超聲波檢測原理等。2.2設計要求（1）選擇用超聲波傳感器測水流量的方法，即超聲波流量計。（2）知道超聲波流量計的分類及應用特點。（3）要求超聲流量計精度要高、功耗要低，在精度的提升方面，首先是從超聲換能器以及流體狀態(tài)分析、流速補償角度來提升計量精度

10、，其次從超聲流量計硬件系統(tǒng)角度對傳統(tǒng)信號處理部分進行改進以降低功耗。（4）本設計采用時差法超聲波流量計，掌握其原理，測量及應用特點。三、設計步驟及原理分析3.1設計方法3.1.1流量的基本概念流體在單位時間流過管道或設備的某處截面的數(shù)量稱為流量。流過的數(shù)量按體積計算的稱為體積流量，(或容積流量)用符號Q表示;按質(zhì)量計算的稱為質(zhì)量流量，用符號G表示。 設流體通過管道或設備某處橫截面積中的某以微小面積為dF，并將通過該微小面積的流量取為v，則通過微小面積dF的體積流量dQ為 =      dQ=vdf  &#

11、160;     (2.1)根據(jù)式(2.l)，可求出流過橫截面的體積流量            (2.2)  如果所截面上的各點流速相同，則從式(2.2)可知體積流量       Q=vF            (2.3) 事實上界面上的各點速度并不相等，因此引入平均流速的概念&

12、#160; v=Q/f            (2.4)質(zhì)量流量G可用體積流量Q和流體的密度戶之積來表示  G=QP            （2.5）某段時間內(nèi)流過的流體的總量稱為累積流量，等于在該時間內(nèi)對時間積分。與累積流量相對應的流量稱為瞬時流量。3.1.2超聲波流量計的基本概念超聲波流量檢測是超聲應用的一種，主要是聲速測量技術(shù)的應用。超聲波在流動的流體中傳播時就

13、會載上流體流速的信息，超聲波在運動的流體中傳播與在靜態(tài)流體中比較時，相對于管道壁(視為固定坐標系)，波束的某些物理特性會發(fā)生變化，在靜態(tài)的基礎上又增加了流體流速的信息，因此通過接收到的超聲波信號就可以檢測出流體的流速，進而換算成流量。3.2設計步驟3.2.1 超聲波換能器超聲的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。超生換能器，也即超聲傳感器，是超聲流量計中的重要組成部分。通常所說的超生換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件和裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲

14、能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為電能。3.2.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。本設計中采用的是由單片機發(fā)出的方波，單片機P3.7輸出方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)。用以提高

15、驅(qū)動能力。上拉電阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN輸出高電平的驅(qū)動能力。另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時間，下圖為超聲波發(fā)射部分電路圖。 圖1 超聲波發(fā)射電路3.2.3 超聲波接收電路超聲波接收器包括超聲波接收探頭、CX20106A處理兩部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經(jīng)過CX20106A處理后產(chǎn)生負跳變，引起單片機的外部中斷，下圖為超聲波接收部分電路圖。 圖2 超聲波接收電路3.2.4 換能器的安裝換能器的安裝選擇V型結(jié)構(gòu)，如圖4所

16、示，V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴大聲程，是現(xiàn)在現(xiàn)在國際流行的兩個換能器安裝在同一側(cè)的設計。所以我們的換能器將采用單通道V字型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，單通道形式可以消除由雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差，特別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中反射引起的對測量的干擾。 圖3 換能器的安裝3.3設計原理分析當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，其傳播時間的變化正比于液體的流速，而時差法超聲流量計工作原理如圖 4 所

17、示， 為流速方向和超聲波傳播方向的夾角，當  為銳角時，稱之為順流；當  為鈍角時，稱之為逆流。超聲波信號在動態(tài)介質(zhì)(流體)中，與靜態(tài)介質(zhì)(流速為零)相比，順流時信號傳播速度增加，傳播時間減小，同樣逆流時超聲波信號傳播速度減小，傳播時間增加，從而順逆流方向超聲波信號傳播時間存在一個差值(即時差)。時差法超聲流量計就是根據(jù)介質(zhì)的流速與時差存在一定的線性關(guān)系原理進行測量的，只要準確測定順逆流時間，計算出時間差，再根據(jù)流速與其線性關(guān)系，可以求出瞬時流速，進而可以求出瞬時流量以及累積流量。圖3.1中，S1、S2 分別為兩個超聲波換能器，V&#

18、160;為液體流速，D 為管道直徑， 超聲波進入液體的入射角。t1 為換能器 S1 發(fā)射、S2 接收時，超聲波在管道中傳播時間，即順流時間；t2 為換能器 S2，S1接受時，超聲波在管道中的傳播時間，即逆流時間。圖4時差法超聲流量計原理超聲流量計順流時間 t1 和逆流時間 t2 分別用下式計算，即 （3.3.1） （3.3.2）其中 C 為超聲波信號在水中的聲速， 為信號在換能器及硬件電路中的時間延遲。設 T 為順逆流時間差，則 （3.3.3）因常見液體中聲速要大于1000m/s,而液體流速小于10m/s,即C 2 >> V2,所以(3.3.3)式可以簡化為 （3.3.4） （3.3.5）通過(3.3.5)式可求出瞬時流量， （3.3.6 ）式(3.3.6)中，K 為流速分布修正系數(shù)，S 為管道截面積，D 為管道直徑。由于在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式稱為速度分布，它是通過多很直線之末端的一根曲線(或曲面)。這些直線沿著直徑(或橫截面)各個點上畫出來的，它們平行十管道軸線并且在長度上比例于各點的軸向速度。如圖 5圖5 (a) 理想流體流速分布 (b) 實際流體流速分布根據(jù)管內(nèi)的流動狀態(tài)不同，管內(nèi)流體的流速分布主要有兩種模型，分別為層流流動和湍流流動。在層流狀