時差法超聲波流量計論

AAAA第一章緒論流量計的發(fā)展概述自古以來測量都是人類文明的一種標志，是計量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它廣泛存在于水利，化工，農(nóng)業(yè)，石油，冶金以及人民生活各個領(lǐng)域之中，一直得到世界各國政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強。早在公元前1000年埃及人就開始利用堰法測量尼羅河的流量來預(yù)報年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測量流量。 1738年，瑞士人丹尼爾·伯努利以伯努利方為依據(jù)，利用差壓法測量水流量；后來意大利人文丘里研究用文丘里管測量流量，并于1791年發(fā)表了研究成果；1886年，美國人赫謝爾用文丘里管制成測量水流量的使用裝置； 1911~1912年，美籍匈牙利人卡門提出卡門渦街的新理論； 年代,又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲很大進展。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，流量計量日益受到重視，流量儀表隨之迅速發(fā)展起來，測量儀表開始向精密化、小型化等方向發(fā)展。目前國外投入使用的流量計有100多種，國內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近50種。隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化，管道化的發(fā)展，流量儀表在整個儀表生產(chǎn)中所占比重越來越大。據(jù)國內(nèi)外資料表明，在不同的工業(yè)部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數(shù)的15-30％。但是，由于流量測量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計量提出更新更高的要求，流量計量的現(xiàn)況遠不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計量技術(shù)問題有待進一步研究解決。目前主要存在如下問題：流量儀表的品種、規(guī)格、準確度和可靠性尚不能滿足生產(chǎn)要求，特別對腐蝕性流體、臟污流體、高粘性流體、多相流體、特大流量、微小流量等，有待發(fā)展有效的測量手段。我國開展近代流量測量的技術(shù)比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口，直到20世紀30了新城儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計， 60年代渦輪、電磁流量計的生產(chǎn)至今，我國已經(jīng)形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術(shù)與儀表研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過 230家。目前我國的流量裝置方面。與國水平仍存在較大差距，現(xiàn)有產(chǎn)品的品種、規(guī)格、精確度和可靠性尚不能滿足國內(nèi)市場的需求，一些新型的流量計，如渦街流量計、旋進漩渦流量計、射流 流計等的技術(shù)水平與國際先進水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費支持并通過艱苦的努力，才有可能達到國際先進水平。超聲波流量計的概述超 聲 波 流 量 計 的 發(fā) 展 和 現(xiàn) 狀超聲波流量計（簡稱 USF）是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量計量儀表。憑借其非接觸測流、儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)、精度高、測量范圍大、安裝方便、測試操作簡單等自身的優(yōu)勢被認為是較好的大管徑流量測量儀表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。1931年，O.Rutten 發(fā)表的德國專利是關(guān)于利用聲波測量管道流體流量最的參考文獻。但是要使超聲波流量計具有一定的精度，要求對時間的測量精度至少達到107秒，這在當時是很難達到的； 50年代初，美國科研人員首次提出了“鳴環(huán)”法，就是通過多次循環(huán)將時差擴大在進行測量，這種方法彌補了當時電子技術(shù)的不足，使得時間測量精度得以大大提高。 1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法MAXSON 流量計在美國研制成功，并用于航空燃料油流量的測量，標志著超聲波流量計已經(jīng)由理論研究階段進入工業(yè)應(yīng)用階段，但由于電子線路太復(fù)雜而未得到推廣。60年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的超聲波流量計。進入20世紀的70年代以后，由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使得高精度的時間測量成為可能，再加上高性能、工作穩(wěn)定的鎖相技術(shù)（ PLL）的出現(xiàn)和應(yīng)用為超聲波流量計的可靠性提供了基本的保證，同時為了消除聲速變化對測量精度超聲流量計的主要方案，但是仍無法保障小管徑小流量測量時的精度。同一時道內(nèi)流體流動存在兩種狀態(tài)：層流和紊流，并給出了層流狀態(tài)下的理論計算公了波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。當今全世界50多家較大的超聲波流量計生產(chǎn)商都集中于歐美日等國家 ,這國家己經(jīng)在超聲波流量計的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗，再加上它們本身所具有的在電子技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢，使得它們在國際超聲波流量計市場上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢。我國超聲波流量計的研究起步較晚，目前我國超聲波流量計的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來隨著國外各大超聲波流量計生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進入我國的市場，也帶動了國內(nèi)超聲流量測量研究的發(fā)展，但是從總體上說，我們現(xiàn)有的技術(shù)還和國際先進水平有較大差距，在國內(nèi)市場中，高精度的超聲波流量計還是國外品牌的天下，形成了低檔產(chǎn)品過剩、高檔產(chǎn)品依賴進口的局面。超 聲 波 流 量 計 的 特 點超聲波流量計是一種非接觸式流量測量儀表，相對于傳統(tǒng)流量計而言，它主要具有一下特點：①可作非接觸測量。夾裝式超聲波流量計無需停流截管安裝，只要在管道外部安裝換能器即可，為無流動阻撓測量，無額外壓力損失，這是超聲波流量計在工業(yè)用流量儀表中具有的獨特優(yōu)點。②適用于大型圓形管道和矩形管道，原理上不受管徑限制，通用性好，同一儀表可以測量不同管徑的管道流量，使用時不必嚴格考慮管材和壁厚，且其造價基本上與管徑無關(guān)，更適合于大管徑、大流量的場合。③對介質(zhì)幾乎無要求。只要能傳播聲波的流體皆可用超聲波流量計測量流量，因而適用于多種流體，除了水、石油等常見流體外，尤其適用于其他方法不便測量的情況，例如高溫高壓、腐蝕性液體、高粘度液體或氣體等；而它可測量非導(dǎo)電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。本課題內(nèi)容流量計本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時差法測流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場合等?，F(xiàn)有國有的大多數(shù)超聲波流量計雖然價格比外國的便宜，但總體性能較差；而國外的超聲波流量計盡管在精度、性能和操作使用方面都由于國內(nèi)的產(chǎn)品，但因價格昂貴，也不可能在工業(yè)界大量使用。因此有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對超聲波流量測量技術(shù)進行改進和提高，使超聲波流量計性能更加穩(wěn)定，總體性能接近或者達到國際先進水平，以便在國內(nèi)推廣和使用。基于難度和可實現(xiàn)性，本文采用時差法為研究課題，在綜合吸收國內(nèi)外先進的超聲波流量測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了一下一些主要的工作：① 超聲波時差法測流量原理研究，針對超聲波流量計測量精度容易受溫度影響的問題，利用改進型算法避免溫度對測量精度的影響。② 正；③設(shè)計系統(tǒng)的控制測量電路，包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號整形電路及系統(tǒng)控制電路等，并根據(jù)儀器本身的實際情況和現(xiàn)場環(huán)境研究硬件抗干擾技術(shù)；④ 采取適宜的抗干擾措施，進一步增強儀器的運行穩(wěn)定性；第二章時差法超聲波流量計的理論研究流量的基本概念用單位時間內(nèi)流過通道橫截面的流體體積或質(zhì)量來表示，前者稱為體積流量，用Q表示，單位為m3/sGkg/s。體積流量Q的計算式為：QA式中，A為與流速v相垂直的通道橫截面積， m2 ；v為沿通道橫截面上流體平均速度， m/s。質(zhì)量流量G的計算公式為：GQVS式中，為流體密度，kgm3 。超聲波技術(shù)概述由于超聲波傳播時，其聲速、衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性與狀態(tài)有關(guān)，不同性質(zhì)的媒質(zhì)不但影響超聲波的穿透深度，也影響接收波的強度。因此，要準確地檢測到超聲信號并非易事，在投入設(shè)計前要對超聲波及相關(guān)的知識進行介紹。超聲波的傳播特性超聲波通常指頻率高于20KHz播。因為本課題主要是研究針對供水行業(yè)的超聲波流量計，所以我們只以水為介質(zhì)進行分析：）超聲波的傳播速度超聲波在水中的傳播速度不但與溫度有關(guān)，還受水深h和水中還鹽量s的影響，圖2為水中聲速與溫度T的關(guān)系曲線。當0≤T≤35℃，0≤S≤45‰，0≤h≤1000m時，水中聲速可用下式計算：C1449.24.6T0.55T20.00029T3(1.340.01T)(S35)0.016h）

圖2水中溫度和深度的關(guān)系曲線超聲波在媒質(zhì)中傳播時，其振幅將隨傳播距離的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是因為一方面，超聲波在傳播過程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作用下，有一部分聲能會不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對超聲波來說就是有一部分能量被吸收了，通常認為流體的聲吸收衰減系數(shù)是與頻率的平方成正比的；另一方面，超聲波在媒質(zhì)中傳播時，如果媒質(zhì)中含有大量的散射粒子（如流體媒質(zhì)中的懸浮粒子、液體中的小氣泡、固體媒質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)缺陷、摻雜物等 ，則一部分超聲波將被散射來，不再沿原來方向前進，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進的，這樣就形成了散射衰減，而固體顆粒、懸浮物等散射物質(zhì)本身又成為聲源，又會向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測量技術(shù)中最常遇到的散射衰減情況是由大量的尺寸遠小于波長的散射粒子所引起的，通?？烧J為散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比。因此，超聲波在水中傳播時會不斷衰減，甚至?xí)辉肼曆蜎]。在設(shè)計過程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應(yīng)的措施確保超聲波流量計的實現(xiàn)。超 聲 波 換 能 器 的 結(jié) 構(gòu) 及 原 理超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電 -聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換器。超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計中的重要組成部分。通常所說的超聲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)化為電能的器件或裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體 (PZT)、PVDF等。壓電型超聲波換能器是借助壓電晶體的諧振來工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 3所示：圖3超聲波換能器結(jié)構(gòu)原理圖超聲換能器的壓電晶體上時，壓電晶體組件就在電場作用下產(chǎn)生縱運動。壓電組件振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，約為 (1～10)m，但這種振動的速度很大，約(10～103)g，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機械振動量，若這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。當在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動諧振子振動，并推動周圍介質(zhì)振感器就成了超聲波接收器。通常壓電型超聲波換能器可以等效地看作一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電路，如圖4（a）4（b）所示。如果用導(dǎo)線將壓電換能器和測量儀器連接時，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線地等效電容、等效電阻、前置放大器地輸入電阻、輸入電容。圖 5是壓電換能器的完整效電路（電流等效電路圖 。圖4壓電超聲換能器等效電路圖5壓電換能器的完整等效電路Ca——換能器的電容 Ci——前置放大器輸入電容Cc——連接導(dǎo)線對地電容 Ri——前置放大器的輸入電Ra——包括連接導(dǎo)線在內(nèi)的換能器絕緣電阻由等效電路來看，壓電換能器的絕緣電阻 Ra與前置放大器的輸入電阻 Ri相并應(yīng)保持在1013Ω以上，這樣才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要輸入阻抗，否則換能器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。超聲換能器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分為直探頭（縱波 、斜探頭（橫波表面波探頭（表面波 、蘭姆波探頭（蘭姆波 、雙探頭等。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個探頭的性能是不同的，其主要性能指標包括：（1）工作頻率 f0

：大多工作頻率選在換能器的機械共振頻率（即壓電晶片的共振頻率）附近。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）機電耦合系數(shù) Kt

：超聲波換能器的機械能和電磁能相互轉(zhuǎn)換過程，就是機電耦合過程。最早給出定義的梅森將機電耦合系數(shù)定義為貯存的機械能量Kt 從電源取得的總能量但是，定義機電耦合系數(shù)的公式很多而且各部協(xié)調(diào)。此外，壓電元件的機械能與它的形狀和振動方式有關(guān)。因此不同形狀和振動方式所對應(yīng)的機電耦合系數(shù)也不同。機電耦合系數(shù)為無量綱單位。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。QQ換能器的機械品質(zhì)因數(shù) :QQm m

是從電學(xué)中應(yīng)用到機械振動系統(tǒng)中來的一個重要物理量，它與標稱寬帶 f密切相關(guān)，即與換能器的機電耦合系數(shù)密切2相關(guān)，而且與所在介質(zhì)的輻射阻抗、換能器結(jié)構(gòu)、材料及損耗密切相關(guān)。例如，同一只壓電換能器，在水中的 Qm 30，在空氣中Qm200。的特性阻抗。所以，一方面換能器與發(fā)射電路（或接收電路）末級電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負載（或接收聲負載）匹配。聲波波長可相比擬時，它發(fā)射聲能是集中在某些方向上的，即具有一定的擴散角。sin11.22D式中，為超聲波波長，D為換能器直徑，所以頻率越高，擴散角越小。但是，超聲波在傳播過程中，散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的4次方和2次方成正比，因此超聲波的頻率不能太高。(6)換能器的頻率特性：所謂頻率特性就是換能器的主要參數(shù)，如功率、聲壓、阻抗和靈敏度等隨頻率變化的特性。在接收換能器中寬頻帶可獲得窄脈沖、短余振時間波形，獲得極高的縱向分辨率。動阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時，為了保證聲能損失小、方向性強，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機玻璃制成。在一般工業(yè)領(lǐng)域，通常接收和發(fā)射的傳感器使用完全相同的材料，做成完全一樣的結(jié)構(gòu)，可以互換使用或進行雙向收發(fā) 一定程度上減小了測量誤差。

這樣不僅可以降低成本，而且在超 聲 波 換 能 器 的 驅(qū) 動 信 號 對 其 工 特 性 的 影 響任何一個換能器都有其中心頻率，要使換能器工作在最佳狀態(tài)，其驅(qū)動信號頻率應(yīng)與換能器的中心頻率一致。一般可采用單脈沖信號及連續(xù)脈沖信號作為換能器的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號的主要性能參數(shù)為脈沖寬度與脈沖幅度，這兩個參數(shù)對于縮小盲區(qū)，提高探測精度有重要意義。無論什么驅(qū)動信號，在換能器正確安裝的前提下，脈沖寬度的大小與換能器頻率之間存在著一最佳關(guān)系式，當脈沖寬度滿足該關(guān)系式時，可使換能器輸出的信噪比最高。當脈沖為單脈沖信號時，由于檢測系統(tǒng)的測量周期往往遠大于脈沖寬度，因此，我們可以認為前后兩個測量周期之間的驅(qū)動信號相互之間沒有影響，從而可以僅僅對單一脈沖信號進行分析。對圖 6(a)所示脈沖信號進行頻譜分析，其幅特性如圖2-5(b)所示。假設(shè)脈沖的寬度為 2a，其直流成分的幅值最大，然后幅值慢慢減小至零，接下來幅度的峰值分別處于 處(n=1,2,3…),且隨著的增大，峰值逐漸減小至零。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號最強；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會給2a處。于是又下面的公式成立：02a式中，f0

為換能器中心頻率， a為脈沖信號寬度。圖6脈沖信號及其幅頻特性時差法超聲波流量計的基本原理時差法超聲波流量計就是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。其基本原理如圖 7所示超聲換能器 A、B是一對可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的換能器，其安裝方式采用管外夾裝式。設(shè)超聲波信號在被測流體中的聲速為 C，超聲波順流時從 A到B的時間為t，逆流時從BAt1

，由于換能器布置在管外，超聲波在換能器和圖7時差法工作原理圖管壁中傳播需要時間，而且電路也有延遲，這三種傳播時間總稱為延遲時間 0，0遠小于超聲波在流體中的傳播時間，則有：t1t2

dcos Cvsin dcos Cvsin 0tt2

2dvtgC2v2sin2在一般工業(yè)測量過中，超射波在液體中傳播速度（水中約為 1450m/s）比液體的流速大得多，即C2 v2sin2 ,所以順逆流時間差ttt2 1

可化簡為:ttt2 1

2dvtgC2因此，時差法超聲波流量計的基本方程可以寫為：C2Cv t2dtgQd2v4提高測量超聲波傳播時間精度的方法由上節(jié)時差法超聲波流量計的基本原理我們可以看到，時差法超聲波流量計的測量精度與超聲波傳播時間的準確測量密切相關(guān)。只有在既能穩(wěn)定、準確地測量傳播時間又能有效地對順、逆流傳播時差進行計算的前提下，才談得上測量精度。但是，在錯綜復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，接收的信號常常伴隨著各種外來干擾，如流體介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒和氣泡等產(chǎn)生的干擾，特別是來自外界的電磁干擾等，這些干擾信號成為準確測量超聲波傳播時間的主要障礙。因此，如何確保超聲測時的準確性以及選用何種方法計算時差成為時差法超聲波流量計測量的關(guān)鍵，為此人們常在測量回路上采取一些措施，常見的方法有：閥值法設(shè)置閥值，當接收信號高于閾值時，即認為信號到達，一般采集信號的第2個峰值（如圖7存在以下弊端：圖7接收示意圖響，產(chǎn)生反射、折射、吸收等現(xiàn)象，使得超聲波能量衰減不一，閾值電壓難以設(shè)定：電壓而被接收，誤當作第二個波形處理；或者當?shù)谌齻€波形來到時才高出閾值電壓而被采集，這樣會嚴重影響流量計的精度；實際采集信號時，常常是選取波形上升沿的某個位置，如圖 7所示，這樣際采樣點與信號達到時刻相差不是一個整周期，這樣即便是減去一個周期的時間，測量值還是存在明顯的誤差，尤其是頻率比較低時上升沿的坡度變得緩慢，誤差也會隨之加大；由于閾值選定，就對信號的放大倍數(shù)提出了一定的限制，不能過高或者過低，所以當電路受到外界環(huán)境的影響（比如溫度變化等）生變化時，直接影響檢測的波形，導(dǎo)致測量不準確。設(shè) 置 接 收 窗 口發(fā)射超聲波脈沖起至接收到第一個波為止的時間間隔內(nèi)，由于接收門一直敞開著，外界各種干擾信號都很容易侵入，從而影響測量的穩(wěn)定性。克服此弊病的最有效方法是設(shè)置一個能跟蹤目標的窗口，在此窗口內(nèi)接收門是打開的，除此之外，門一直是關(guān)閉著，可以有效的防止干擾信號的侵入。但設(shè)計此窗口寬度時，必須考慮介質(zhì)溫度變化所引起的聲速變化以及環(huán)境溫度對電子元件參數(shù)影響等因素。PLL鎖 相 回 路 法在超聲波流量測量中，傳播時間只有幾百μ s，用一般計時脈沖（如 1MHz）來計時是不能滿足要求的。為了達到 1ns的分辨率，往往需要 1000MHz計時脈沖，并且相應(yīng)的要提高各種門電路的開關(guān)速度，這是不現(xiàn)實的。采用鎖相技術(shù)可以解決這一問題。PLL鎖相回路的基本原理如圖 8所示，設(shè)置一個電壓控制振蕩器 VCO，同步信號發(fā)生器使發(fā)射器激勵換能器，發(fā)射超聲波脈沖，同時使計數(shù)器開始計數(shù) VCO頻率，在時間差檢測回路中，計數(shù)終了信號 N/f與超聲波在介質(zhì)中傳播時間進行比較，時間差信號被變換成電壓后去調(diào)節(jié) VCO。在閉合回路達到穩(wěn)定狀態(tài)時，時間差信號為零， t=N/f。這樣的調(diào)節(jié)每秒可以進行數(shù)百次，故響應(yīng)較快。但是PLL鎖相回路沒有從本質(zhì)上解決由于設(shè)定閾值而帶來的誤差問題。圖8鎖相回路工作原理自動增益控制利用自動增益放大控制電路，在每次測量結(jié)束后，根據(jù)接收信號的強度自動調(diào)節(jié)接收機增益。若檢測到噪聲或輸入信號太強則調(diào)小增益，如果輸入信號太弱且噪聲級很低則調(diào)大增益，儀器將新的自動增益設(shè)置值作為在下一次測量中的增益初始值。自動增益控制電路保證了每次檢測門檻的精確性。所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當接收波形變化時，改變觸發(fā)電平，自動選擇最佳觸發(fā)電平來檢測時間。如圖 9所示，通常以L電平檢測時間（見實線部分 ，在稍許高的電平上預(yù)設(shè) H電平，當波形變化時（見虛線部分，若繼續(xù)在L電平上觸發(fā)，就會引起誤觸發(fā)，產(chǎn)生時間檢測誤差。此時H與第三個波元時間差的時間補償，測得傳播時間的絕對值也就不變，待接收波恢復(fù)，再返回到用L圖9雙觸發(fā)原理圖由于雙觸發(fā)回路中包含有誤觸發(fā)檢測回路、觸發(fā)選擇回路和延遲時間補償回路等，因此它增加了硬件電路的復(fù)雜性。超聲波流量計的修正流 速 的 修 正在上文討論的時差法超聲波流量計中，我們所提到的流速 v都是理想狀態(tài)沿管道截面平均分布的面平均流速，在實際情況中，由于管道截面上流體流速的分布不均勻，通過式計算得到的流速 v并不是要求的橫截面上的流體平均速度V ，它實際上是超聲波信號穿過流體所測得的沿超聲波傳播路徑上的線平均流d速，用它進行流量計算勢必會產(chǎn)生誤差，所以要保證測量的精確度則需首先確定V vd量修正系數(shù) K，即體積流量Q為：Qvd2k 4式中，K為流速分布修正系數(shù)，即管道中流體線平均流速 v 和面平均流速V 之比；d但是由于管道流體流速分布規(guī)律的極其復(fù)雜性，人們對流體流速分布規(guī)律的下的流體流速分布規(guī)律。層流和紊流是流體流動的兩種狀態(tài)。流速較低或管壁粘性較大時，流體流動的狀態(tài)是平滑的層狀流動，主要是軸向的運動；流速較高或管壁粘性小時，流體質(zhì)點呈雜亂不規(guī)則的流動，即紊流，此時管內(nèi)流體的流動不僅有軸向的還有橫向的。兩種不同流動狀態(tài)對應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。層流狀態(tài)下的速度分布形式為拋物線狀，而紊流狀態(tài)下流速以管道軸線為中心呈對數(shù)曲線對稱分布，即管道內(nèi)的速度分布趨于平坦，因此紊流狀態(tài)的速度分布比層流狀態(tài)的速度分布均勻得多，超聲波流量計也更適合在紊流狀態(tài)流體中應(yīng)用，以減少由于流速分布不均勻帶來的誤差。根據(jù)流體力學(xué)可知，雷諾數(shù) Re是流體流動狀態(tài)的一個判斷依據(jù)，一般認為，Re=2300可作為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷，其計公式如下：RvDe 式中v為流體的平均流速，D為管道直徑，為管道中流體的運動粘度，為流體的密度。當 Re<2300 時，流體流動為層流狀態(tài)，管內(nèi)流體流速分布為 :rv(r)vmax[1(R)2]式中，v

max

為管道中心處的最大電流；R為管道半徑；r為與管道中心的徑向距離。那么，在層流狀態(tài)下，

max

與v的關(guān)系為：2Rvdrr

Rv 1(rR)2]max 2v0 0 v2R

max當 Re>2300 時，流體開始向紊流狀態(tài)過渡，通常介于層流和紊流之間的態(tài)也作為紊流狀態(tài)處理，管內(nèi)流體流速分布為：式中，n隨RReRen2.02.67.08.810.0

rv(r)vmax(1R)1n不同而變化的系數(shù)，其值見表 1所示：那么，在紊流狀態(tài)下， v與vm2Rvdrr

1nRe的關(guān)系為：R1rR1n

的關(guān)系nv 0 02R R

n1

vmax而我們所需要知道的是管道截面上的平均速度 vd

，同樣利用前面公式，可知層流狀態(tài)下vd

與vmax

的關(guān)系為：R1(rR)2rdrRQ max 1v vd A

R2

v2max可知絮流狀態(tài)下，vd

與vmax

的關(guān)系為：R(1rR)1nrdrRQ max

2n2v vd A

R2

(2n1)(n1)

max由以上公式可知，層流時流量修正系數(shù)為：K43絮流時流量修正系數(shù)為：2n1K2n折 射 角 的 修 正夾裝式超聲波流量計除了做流速分布修正外，必要時還要對 角進行修正根據(jù)角隨流體中聲速C的變化而變化，而 C又是流體溫度的函數(shù)，因此，必須對角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償?shù)哪康?。sin0C0

sin1C1

sinC式中，01

為超聲波在聲楔中的入射角；、為超聲波在管壁、流體中的折射角；C 、C0 1

、C為超聲波在聲楔、管壁、被測流體中的速度。圖中所示超聲波在流體中的 角不但受到流體聲速的影響，還與聲楔和管材料中的聲速有關(guān)。然而因為一般固有材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數(shù)量級，在溫度變化不大的條件下對測量精確度的影響可以忽略不計但在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫換能器工作溫度范圍 -40～200℃）就必須聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進行修正?？傻藐P(guān)系式：

圖10夾裝式超聲波傳播途徑arcsin(Csin)C 00C和0

為已知量，C為超聲波在被測流體中的傳播速度，是溫度的變0量。這樣就可以通過修正后的 C對進行修正了。第三章 時差法超聲波流量計的總體設(shè)計本課題研究的超聲波流量計是采用時差法測量原理來進行流量檢測的。通過查閱國內(nèi)外的有關(guān)文獻，分析國內(nèi)外的各種產(chǎn)品，確定實現(xiàn)具有國內(nèi)外先進水平的流量測量系統(tǒng)，設(shè)計的時差法超聲波流量計要求具有測量精度高、操作簡便、安裝調(diào)試簡單、成本低及可靠性高等特點。換能器的安裝對于時差法超聲波流量計來說，超聲換能器在管道上的安裝位置通常有三種不同形式：平行式、Z型、V型。如圖11所示：圖11 換能器的不同安裝位置平行安裝的超聲波換能器位于管道軸線上，理論上講，聲波在管道的徑向穿過流體截面的次數(shù)越多，其測量準確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會嚴重擾亂流場的分布，另一方面其測量的流體流速不具有整個流束截面的代表性，所以是不可取的； Z型安裝的聲傳播路程較短，傳播時間不易測量，會限制流量計在小管徑上的應(yīng)用；而 V型結(jié)構(gòu)既保證了波的傳播方向又可以擴聲程，是現(xiàn)在國際上流行的兩種換能器安裝在同一側(cè)的設(shè)計。所以，在本設(shè)計中，我們的換能器將采用單通道（即只采用一對探頭） V型安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(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不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量的干擾。測量原理3.3.1聲 學(xué) 原 理如第二章第三節(jié)所述，當管道中以速度 V流動時，超聲波信號在流體中的順、逆流傳播時間分別為 t1

t，那么對于V222dcost

（3—1）1 Cvsin2dcost2Cvsin

（3—2）ttt1 2

4dvtgC2v2sin2

（3—3）C2Cv4dtgt

（3—4）但是，由式（3-4）我們可以看到流體的流速 v與超聲波速度C有關(guān)，而又受溫度、水深等物理參數(shù)的影響，如果直接利用式（ 3-4）進行流量計算勢必會造成比較大的誤差，因此，可以采用改進型時差法，利用數(shù)學(xué)變換將影響測量精度的超聲波速度 C剔除。由式（3-1、（3-2）可知：2dcosCvsin2dcost2d2dcosCvsin

（3—5）t2式（3-5（3-6）相減可得：

（3—6）12vt2t d12

（3—7）tt sin12式（3-7）與（3-4）相比，消掉了超聲波速度 C這一項，因此，改進后時差法公式消除了 C對測量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測量精度。圖12 基本聲學(xué)原理圖3.2.2 測 時 原 理由第二章第四節(jié)的分析， 時差法超聲波流量計的精度與所檢測到的傳播時的準確度有關(guān),采用可靠的傳播時間測量方法是確保時差法超聲波流量測量的關(guān)鍵問題。由式（3-7）

t 2dvk

f(t,t,ttt 112

),k

sin2由數(shù)學(xué)知識我們可以知道：vktt tt21 21vkt

（3—9）t1v

tt212ktt12由式（3-9）可以看出，k越小，v對時間參量要求的精度就越大，也就說管徑越小就越難以測量。根據(jù)課題的要求以及計算的方便我們所測管徑的最小值為d=0.05m；假設(shè)此時超聲波在靜止的水中的速度為 1450m/s；發(fā)射角θ為。當流體流速為V=1m/st=97.484us,t=97.579ust9.5E8s1 2也就是說超聲波順逆流發(fā)射的傳播時間差 t 僅為95ns左右，如果要求系統(tǒng)測量精度為 1％，則測量分辨率至少應(yīng)達到 1ns，那么就需要采用 1000MHz的鐘脈沖計數(shù)來計時，并且相應(yīng)的要提高各種門電路開關(guān)速度，在現(xiàn)今電子技術(shù)發(fā)展情況下，這樣高的頻率時鐘電路和計數(shù)電路都難以實現(xiàn)，可見極力去精確測量單個納秒級的時差是不現(xiàn)實的，為了解決這個難題，我們采用多脈沖法作為本課題的測時方法。多脈沖測量方法是進入九十年代以來，國外生產(chǎn)廠家首先采用的一種測時方法，美國康創(chuàng)公司推出的 UNIFLOW流量計以及最近我國深圳晨光科技實業(yè)有限公司在引進德國技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計的 ZCL-15系列時差法流量計均采用了多脈沖法但多脈沖僅僅作為一個術(shù)語出現(xiàn)在產(chǎn)品介紹，或在產(chǎn)品說明書中一帶而過。我們通過對以往人們常用的超聲波測時方法的分析，結(jié)合微處理器的特點，對超聲波時差流量測量的多脈沖測量方法進行了較深入的研究。多脈沖測量方法不僅能有效的濾除干擾信號獲得可靠的超聲波傳播時間，而且能在流量測量過程中結(jié)合多脈沖測量方法的特點，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計等相關(guān)理論對測量時差做出了合理估計，從而確保了流量測量的精度。所謂多脈沖測量方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程，對某一物理量進行測量的方法其工作示意圖見圖 13，首先使一個超聲波換能器

作為發(fā)射探1頭，另一個換能器作接收探頭，如圖 13（a）所示，然后將觸發(fā)信號施加在發(fā)射探頭T

上使其發(fā)射超聲波。超聲波順流傳播被接收探頭 1

接收并轉(zhuǎn)換為電信號，2接收的電信號經(jīng)放大、整形處理后又代替觸發(fā)信號去觸發(fā)換能器

第二次發(fā)射超1聲波，如此重復(fù)上述的超聲波發(fā)射、接收過程，就形成了自激的順流超聲波聲循環(huán)。在完成N次聲循環(huán)后循環(huán)停止，假設(shè)這 N次順流聲循環(huán)所需的時間為 t，它s包含N次固有延遲時間(i)，（i＝1，2，3…N）之和以及N個超聲波在水中單次順流傳播時間 t 之和，即：1tNi)Nts 1i1

（3—10）圖13 超聲波多脈沖法示意圖接著使超聲波換能器T

作發(fā)射探頭，T2

作接收探頭，如圖13b)所示，將觸發(fā)1信號施加在發(fā)射探頭 T2

上使之開始發(fā)射超聲波，接收探頭

接收到超聲波后，1經(jīng)放大、整形處理，觸發(fā)

第二次發(fā)射超聲波，這樣就形成了逆流超聲波聲循2n環(huán)，同樣可知超聲波完成 N次逆流聲循環(huán)后所需的時間 t包含N次固有延遲,(i)n之和以及N個超聲波在水中單次逆流傳播時間 t2

之和，即：tNni1

,(i)Nt2

（3—11）當圖(a)和圖(b)中的發(fā)射電路、放大電路等采用完全相同的電路而且超聲波換能器的發(fā)射接收性能穩(wěn)定一致時，只要 N足夠大，由于統(tǒng)計效應(yīng)的出現(xiàn)，述兩次聲循環(huán)的延時總和是相等的，即：于是：

(i) ,(i)N iN

（3—12）t(t2

t)1

ttn N

（3—13）由式（3-13）可看出時間差 t 不用再去測量難以準確計量的微小時間 t1、t 而是改測相對足夠大的時間 t2，

、t 。應(yīng)用這種多脈沖聲循環(huán)法n對微小時間進行累積后，現(xiàn)有的電子線路可以非常容易的對 ts

t進行的側(cè)n量，時間差t

的準確測量就變得容易。下面從數(shù)理統(tǒng)計上對單脈沖和多脈沖方法進行分析比較，說明多脈沖的優(yōu)越性。如圖13所示，設(shè)脈沖周期為 T，電路延遲時間為ε，計數(shù)器引起的時間誤為，隨機噪聲引起的誤差為 （滿足正態(tài)分布 ；理想情況下一個脈沖由發(fā)射到接收的時間為 t真；而實際中單脈沖由發(fā)射到接收的時間為 t，多脈沖由發(fā)射到接收的時間為t,，對于多脈沖每個脈沖到達的時刻為 ti，i接收的時間為t,（i=1,2,3n對于單脈沖：i

則每個脈沖由發(fā)射到對于多脈沖：

tt真

（3—14）tt真

1 1 1tt真tt

2

T2

（3—15）3 真 3 3 3M由波形可知，t,2

tt (n1)n 真 n n n與t之間只差一個脈沖周期的時間（這么假設(shè)超聲波在傳i播過程中波形不變 ，同理，t,與tii

只差（i-1）T的時間，則可得到下式t,t1 真 1 1 1t,t2 真t,t

2 2

（3—16）3 真 3Mt,t n 真

3 3n n上式表示脈沖串中每個脈沖激勵換能器發(fā)射超聲波到接收的時間，那么對于脈沖串送給單片機做數(shù)據(jù)處理的傳播時間可用這 n 個脈沖的傳播時間的平均表示：nt,n

t,t,1

t,3

At,nnt A 真 1 2

1

An

1

Anmn真

i

nni i i1 i1 i1nn1nn i1

1nn i1

1nn ii1而對于任意一個單脈沖： tt真

t

，相比，只是誤差項不同，多脈沖誤差為 n項求和取平均值，從數(shù)理統(tǒng)計的理論可知，測量值 t，要明顯優(yōu)越于t，所以多脈沖法相對其他方法有其優(yōu)越性，能減小誤差從而保證傳播時間的精度。圖14多脈沖法超聲波接收原理圖系統(tǒng)硬件框圖根據(jù)時差法測量的基本原理和時差信號小的特點，本課題研究的時差法超聲波流量計主要由兩部分組成：時差信號采集部分和信號處理及人機接口部分。兩部分均是以89C51為核心，根據(jù)鍵盤發(fā)來的命令，進行相應(yīng)的操作，主要完成超聲波的發(fā)射和接收以及傳播時間的測量，這部分主要由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、順逆流切換電路、電壓比較電路、計數(shù)控制電路等組成；信號處理及人機接口部分也是一單片機 89C51為核心，主要負責(zé)對整個系統(tǒng)的控制、流量的算還有人機接口服務(wù)，包括鍵盤、 LED顯示、數(shù)據(jù)存儲等。其系統(tǒng)框圖如圖 15示：LED主單片機時鐘計數(shù)接收電路電路V圖15 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖具體電路將在下一章詳細介紹。這里大致介紹一下系統(tǒng)的工作過程：單片機脈沖聲循環(huán)。當完成所定的多脈沖個數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個信號，關(guān)斷高頻方實際情況計算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲器中，并送到 LED上顯示出來。超聲波換能器的選擇超聲波換能器（以下簡稱探頭）是超聲波流量計的重要組成部分，是利用超聲波技術(shù)進行流量測量的關(guān)鍵，它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng)的性能和可靠度。探頭的種類很多，性能各異，因此需要根據(jù)實際情況，合理的選擇：頻率：超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播，用于水流量測量時，超聲波頻率范圍一般為 0.5MHz～2MHz。超聲波的頻率越高，聲束擴散角小能量越集中，方向性越好，分辨率也越好。按理說為提高計時精度，應(yīng)當選高頻率的探頭；但是對于同一材料來說，超聲波在傳播過程中的散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的 4次方和2次方成正比，所以頻率越高，超聲波衰減越大，而且也會增加電路設(shè)計的困難。入射角：這個角度決定了超聲波換能器的安裝位置。由于超聲波入射時在管壁及流體界面處都會發(fā)生折射，會轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播，為提高探頭接收信號的選擇性，一般選擇入射角大于第一臨界面角而小于第二臨界角，以保證僅一束超聲波被探頭接收。若管道為鋼管，探頭用有機玻璃作為聲導(dǎo)，一般入射角選取28.70到600之間。以上，超聲波發(fā)射的強度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強度也越大，削弱聲吸收的影響，所以，要使接收換能器能夠可靠地工作，發(fā)射探頭必須要能發(fā)射出足夠的能量，以便接收探頭分辨處理超聲波首波，提高測量精度。綜合以上因素，在本設(shè)計中，我們選用中心頻率為1MHz的探頭，入射角為450。超聲波發(fā)射和接收電路在本設(shè)計中，我們設(shè)計的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個，通過繼電器進行順、逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣做既降低了成本，又消除了非對稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過使用單獨的繼電器分別對發(fā)射和接收換能器進行控制，使換能器的發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號對接收的影響。超聲波發(fā)射電路接收信號的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號,由于使用收發(fā)共用型超聲換能器，所以除了選用性能優(yōu)良的超聲波傳感器外，發(fā)射電路和前級信號接收電路至關(guān)重要，它決定著整個系統(tǒng)的靈敏度和精度。超聲波測量最常用的換能器發(fā)射電路大體可分為三種類型：窄脈沖觸發(fā)的寬帶激勵電路、調(diào)制脈沖諧振電路和單脈沖發(fā)射電路。從早先國內(nèi)進口的日本超聲波流量計來看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動電路。這種電路在設(shè)計上一般是用一個極快速的電子開關(guān)通過對儲能元件的放電來實現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘管或大功率場效應(yīng)管（MOSFET蕩，經(jīng)過幅值和功率放大后接至換能器，使換能器發(fā)出超聲波，確保高頻振蕩的頻率與換能器固有頻率一致，則可獲得超聲發(fā)射的最佳效果。諧振電路能夠使用較低的電壓產(chǎn)生較強的超聲波發(fā)射，適合使用電池供電的系統(tǒng)，而且它能精確地控制發(fā)射信號，效率高。在本設(shè)計中，超聲發(fā)射電路采用了連續(xù)脈沖發(fā)射電路，它由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成，具體電路連接如圖 17所示。單片機發(fā)出的方波信號經(jīng)三極管放大和壓器升壓，達到足夠功率后推動換能器超聲超聲波，這里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負載（超聲換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵方式。圖17超聲波發(fā)射電路4.3.2超聲波接收電路發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號后，信號經(jīng)過流體傳播到接收換能器，中間有雜質(zhì)和氣泡等影響，強度不斷減小，并且強度也不穩(wěn)定。為了實現(xiàn)高精度的測量，在信號到達檢測電路前必須使信號穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號的實際情況，我們對所設(shè)計的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動控制增益電路、電壓比較電路等部分組成。放大電路通常超聲波換能器接收到的超聲波信號是非常小的，只有幾毫伏，而一般ADC需要采樣的信號的幅值為 5V，所以必須對它進行放大。放大電路采用三級放大，第一級和第三級放大采用固定增益放大，完成信號的基準放大，第二級采用具有程控增益調(diào)整功能的芯片 AD603來實現(xiàn)，這樣當?shù)谝患壓偷谌壌_定后，以通過調(diào)節(jié) AD603 控制端的電壓來調(diào)節(jié)整個放大電路的增益，使輸出信號達到要求的幅值。① 高輸入阻抗的前置放大電路該電路的主要作用是對超聲波換能器的接收信號進行阻抗匹配放大。超聲換能器的阻抗很大，一般在 106Ω以上，普通的放大器很難與之匹配，只有MOS結(jié)構(gòu)的放大器才有那么高的輸入阻抗。所以，我們選擇高輸入阻抗運算放大器LF357，它采用 JFET組成差分輸入級，其輸入阻抗高達 1012Ω。在設(shè)計中，fLF357采用同相放大接法，這級的放大倍數(shù)是 A1Rf所示：

R111

。其電路如圖18②

圖18前置放大電路由于超聲波流量計測量管徑的范圍很大（幾厘米～幾米流體介質(zhì)也有很大差異，因此接收信號的幅值會有很大的不同（幾毫伏～幾百毫伏）理是將放大后接收信號的峰值采樣保持下去，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后去控制程控增益大器的放大倍數(shù)，使輸出保持穩(wěn)定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件較多，電路設(shè)計也較為復(fù)雜，而且其跳躍性的放大倍數(shù)可能會造成電路工作的不穩(wěn)定。本文采用美國ADI公司的AD603壓控VGA芯片作為自動增益放大器。 是一個低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/μs。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的益范圍，增益在 -11～+30dB時的帶寬為90Mhz，增益在+9～+41dB時具有9MHz 帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、 A/D轉(zhuǎn)換量程擴展和信號測量統(tǒng)。AD603的外部結(jié)構(gòu)圖如圖19所示：圖19 AD603引腳圖管腳1：GPOS 增益控制電壓正相輸入端（加正電壓增大增益 管腳2：GNEG 增益控制電壓反相輸入端（加負電壓增大增益 管腳3：VINP 運放輸入端管腳4：COMM 運放接地端管腳5：FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端管腳6：VENG 負供電電源端；管腳7：VOUT 運放輸出端；管腳8：VPOS 正供電電源端20AD603的簡化原理框圖如圖20所示，它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（VINP）的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無關(guān)，而僅與其差值 VG

有關(guān)，增益和電壓的換算系數(shù)25Mv/dB，即若VG

的變化范圍為1V，增益的變化范圍為40dB，由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達 50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路提供增益控制電壓的外電路影響減小。無源輸入衰減器由一個可從 0dB到-42.14dB變化的衰減器組成，這個衰減器與固定增益放大器中的固定增益運放相連，由于該衰減器的存在，即使有大的輸入，固定增益運放也不會受到?jīng)_擊，而且還可以與運放構(gòu)成負反饋確保增益的穩(wěn)定性。衰減器包括 7段R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點依次衰減 6.021dB，如圖從0dB到-42.14dB。其衰減的程度受當 V的控G制。當VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時，其放大器的增益范圍也不一樣，其頻帶寬度可以為：9MHz、45MHz、90MHz。AD60357短接時，AD603的增益為40VG

+10，這時的增益范圍在-10～+30dB；當腳5和腳7斷開時，其增益為 40VG

+30，這時的增益范圍為10～50dB。如果在57當接一個2.15kΩ的電阻時，增益的變化范圍為 40V 。G在這里，我們在 AD603 的腳7和腳5接了一個電阻 2.15kΩ的電阻，這樣增益的變化范圍為40VG，且信號的帶寬大于 90MHz。當VG的取值為

V時，就可以實現(xiàn)0dB范圍的變換，通過 PWM反饋和固定電壓0.5V的差動輸入，達到動增益調(diào)節(jié)的目的。③ 第三級放大電路末級放大電路的作用是將第二級放大輸出的信號進一步放大，以滿足信號檢測和鑒別電路的要求。我們選用具有高增益帶寬的放大器 NE5532N，其增益帶寬積可達20MHZ，采用同相比例放大電路，其電路圖見圖 21，選取R3為20K，R 為50K，電路的閉環(huán)電壓增益 A1(RR)R71

為1K，R45濾波電路

4 5 3在超聲波接收信號中，往往會摻雜一些干擾信號，在電路設(shè)計中，應(yīng)盡可能將這些干擾信號除去。但是要完全把干擾信號除掉是不可能的，我們只能將這些干擾信號盡可能減小。因為超聲波信號的頻率大致為 1MHz，由運放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波的帶寬一般較窄，通常不適用于高頻范圍，最大在幾百千赫茲，且在這個頻率附近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價又偏高，因此我們決定采用由電感和電容組成的LC濾波器。圖21第三級放大電路圖圖22濾波電路如圖22所示，由 L、C組成并聯(lián)諧振，將諧振頻率設(shè)在 1.5MHz，由L1、C1以及L2、C2組成串聯(lián)諧振，整個形成 T型網(wǎng)路，實現(xiàn)了帶通濾波。接收范圍門上，影響接收信號的接收。所以可以采用范圍門防止發(fā)射脈沖對接收信號的干擾。在設(shè)計中，接收電路并不是在超聲波發(fā)射一開始就打開的，而是根據(jù)信號預(yù)期最早和最晚到達時間設(shè)置一個接收范圍門。首先，根據(jù)聲路長度來估計一個脈沖最早和最晚可能到達的時刻，在最早時間的 0.6倍處打開接收電路，這樣，方面可以防止發(fā)射超聲波直接耦合到接收換能器中，另一方面可以排除開關(guān)動作帶來的干擾；然后，通過設(shè)置軟件延時，在最晚到達時間的 1.5倍處關(guān)閉接收路。接收電路的開通和關(guān)閉可通過單片機的 I/O口控制來實現(xiàn)。采樣保持電路超聲波接收信號經(jīng)過放大和濾波后，進入采樣保持電路。采樣保持電路對接收到的超聲波信號的第一個峰值進行采樣，并將它保存下來。這樣，就可以利用A/D轉(zhuǎn)換器將采樣到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，供控制單元進行增益控制，保證測量的準確性。具體電路如圖23所示：圖23采樣/保持電路圖經(jīng)采樣保持后的信號送到 A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器選用 TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有 11個模擬輸入通道，內(nèi)部固有的采樣與保持，在整個溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。 TLC1543有三個輸入端和一個三態(tài)輸出端，即片選 (CS)、輸入/輸出時鐘(I/O、地址輸入(ADDRESS)和數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)，這樣就和微處理器的串口有一個直接的 4線接口，從而可以實現(xiàn)與微處理器之間進行高速數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器得到的信號峰值電壓數(shù)值通過串口送到微處理器保存起來，作為下一次測量時的控制電壓參數(shù)值。在每次進行測量之前，應(yīng)該先根據(jù)上一次 A/D轉(zhuǎn)換器測得的電壓值 (第一可以給出一個初始值 )來調(diào)節(jié)第二級放大器增益控制端的電壓。這個控制電壓是由D/A轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào)整電路構(gòu)成的。D/A轉(zhuǎn)換器選用帶有緩沖基準輸入 (高阻抗)的10位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)TLC5615，DAC具有基準電壓兩倍的輸出電壓范圍，且 DAC是電調(diào)變化的。器件使用簡單，用單 5V電源工作，功耗低，具有上電復(fù)位功能以確保可重復(fù)啟動。器件的更新頻率可以達到 1.2MHZ，典型建立時間為12.Sμs，并且在溫范圍內(nèi)保持單調(diào)性。CPU根據(jù)上一次A/D轉(zhuǎn)換器測得的電壓值計算出本次測量時D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)該補償?shù)碾妷褐?，通過與 TLC5615的串口將數(shù)據(jù)傳送給 D/A轉(zhuǎn)換器，然后D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。這個電壓經(jīng)過電阻分壓后在運算放大器的同相端產(chǎn)生一個電壓，再經(jīng)過運算放大器放大輸出，這樣就得到了AD603電壓比較電路正確地確定超聲波接收信號的到達時刻是整個電路中一個很關(guān)鍵的地方，它直接影響到超聲波傳播時間的測量精度。在這里，我們采用了電壓比較電路對接收到的信號進行有效性檢驗，利用設(shè)置一個有效信號檢測門檻對信號的過零點、處進行檢測。電路主要由高精度的過零比較器MAX913器MAX902+0.2V和-0.2V信號，這三個輸出信號最后都送到單片機進行邏輯控制。其電路見圖24所示：圖24 電壓比較電路

圖24電壓比較電路該部分的作用是用來完成兩個超聲波探頭和發(fā)射、接收電路的切換的。作為對模擬信號的切換，可以有以下兩個方案：①換的雙方是接收到的微弱的超聲信號和用于發(fā)射的高壓信號，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘柺д孑^小的芯片；②存在信號失真的現(xiàn)象，并且還能完成信號的隔離。但繼電器的開關(guān)頻率有限，而且有一定的總開關(guān)次數(shù)限制，一般在100鑒于以上原因，我們暫時選用了繼電器方案，選擇 2個直流電壓控制的固態(tài)繼電器實現(xiàn)換能器的發(fā)射、接收轉(zhuǎn)換。在實際電路中，我們采用了 74LS138來從單片機送達的控制信號進行譯碼，決定該接通哪一個繼電器。例如，如果接通繼電器1，因為繼電器1連接著換能器T1和T2，其中T1與發(fā)射電路相連，而T2接收電路相連，這樣T1就成為了發(fā)射換能器，T2成為接收換能器，這時通過繼電器的“導(dǎo)通”和“關(guān)閉 ，就決定了換能器的狀態(tài)，所以繼電器起到了“收發(fā)切換開關(guān)”的作用。一般的數(shù)字電路的輸出是不足以驅(qū)動固態(tài)繼電器的，為此，我們還選用了74LS06通過上拉電阻來為繼電器提供足夠的電流來對其進行操作。信號采集及控制電路單片機的選擇測量模塊的各部分協(xié)調(diào)工作，處理測量信息和各部分的狀態(tài)信息。本設(shè)計采用的89C5189C514K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中 ATMEL的89C51是一種高效微控制器， 89C2051是它的一種精簡版本。 89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。主要有以下顯著特點 ：4KB可改編程序FLASH存儲器，可經(jīng)受 1000 次的寫入/擦寫；·全靜態(tài)工作： 0Hz～24MHz；3級程序存儲器保密；1288RAM；32 I/O線；2個16 位定時器/計數(shù)器；6個中斷源；·可編程串行通道；·片內(nèi)時鐘振蕩器。電路設(shè)計控制技術(shù)部分電路主要完成以下控制功能：⑴控制超聲波換能器的切換并觸發(fā)換能器的第一次超聲波發(fā)射；⑵接收電路范圍門的控制；⑶控制計數(shù)電路的工作時序并從鎖存單元讀取計數(shù)值。具體電路如圖25所示，單片機的P1.0口發(fā)出低電平方波，可控制觸發(fā)器、計數(shù)器以及分頻計數(shù)器的復(fù)位、清零，并使關(guān)閉。 P1.1輸出一個短時間的高電平波，通過門電路去觸發(fā)超聲波的第一次發(fā)射，同時觸發(fā)觸發(fā)電路，于是計數(shù)電路開始對晶振電路輸出的高頻方波計數(shù)，當脈沖個數(shù)達到預(yù)定值時，關(guān)閉觸發(fā)器，計數(shù)電路停止計數(shù)并將計數(shù)值所存到 中，然后單片機通過P0口將所存值入，就可根據(jù)上位機的操作做相應(yīng)處理。信號處理及人機接口電路信號處理和人機接口電路主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和整個流量計的控制，它有單片機89C51外加輔助設(shè)備組成。數(shù)據(jù)存儲電路超聲波流量計作為儀表，必須需要及時的對測量結(jié)果流量或者流速的數(shù)據(jù)進行存儲，還要存儲流量計的各種參數(shù)，包括換能器的頻率、管徑、聲路角、修正系數(shù)、計算公式等?？紤]到存儲器在存儲空間、存取速度、接口上的要求，我們選用Flash存儲器AT29C010A芯片作為本系統(tǒng)的存儲器。圖25控制計數(shù)部分示意圖容量、小扇區(qū)，操作速度快，電路設(shè)計靈活，無需在數(shù)據(jù)寫入前進行預(yù)擦除等優(yōu)點。它的存儲容量為 128KB，共有1024個扇區(qū)（每個扇區(qū) 128字節(jié)，片內(nèi)含址和128字節(jié)數(shù)據(jù)鎖存器，按扇區(qū)進行編程操作，編程和擦除可一次完成，重復(fù)編程高于10000次；快速讀取時間70ns；單5V電源供電，5V編程；低功耗，即工作電流50mA，空閑電流100μA。AT29C010A存儲器與單片機的硬件接口電路圖如圖 26所示，用AT89C52的口作為存儲器的數(shù)據(jù)輸入 /輸出端，通過P0口經(jīng)74HC373輸出低8位地址，口和8155的PB6輸出端作為存儲器A8～A16地址，CE接ALE，WE接P3.6，OE接P3.7。用AT89C52內(nèi)部RAM(80H～FFH)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放要寫的數(shù)據(jù)。設(shè)定扇區(qū)地址為00000H～007FH和00080H～000FFH。圖26AT29C010A硬件接口電路鍵 盤 顯 示 電 路根據(jù)硬件設(shè)計思想，在使用超聲波流量計進行測量前需要設(shè)定一定的參數(shù)，這就需要一個鍵盤陣列來實現(xiàn)這種人機對話的功能。連接原理圖如下圖 27示：圖27按鍵顯示電路時 鐘 電 路DS12887是美國達拉斯半導(dǎo)體公司最新推出的時鐘芯片，采用 CMOS技術(shù)制成，把時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集于芯片內(nèi)部，同時它與目前IBMAT計算機常用的時鐘芯片 MC146818B和DS1287管腳兼容，可直接替換。采用DS12887芯片設(shè)計的時鐘電路勿需任何外圍電路并具有良好的微機接口 芯片具有微軾耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘場合中。其主要功能如下：內(nèi)含一個鋰電池，斷電情況運行十年以上不丟失數(shù)據(jù)。計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能。二進制數(shù)碼或BCD12小時或24小時制，12小時時鐘模式帶有 PWM和AM指導(dǎo)，有夏令時功能。(5）MOTOROLA5INATAEL有128個RAM單元與軟件音響器，其中 14個作為字節(jié)時鐘和控制寄存器，114字節(jié)為通用RAM，所有ARAM單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護功能?？删幊谭讲ㄐ盘栞敵觥Ｖ袛嘈盘栞敵?IRQ)期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進行測試。在實際使用中，為了和 89C52單片機統(tǒng)一，我們將 MOT管腳接地用于選擇INTE時序，時鐘的片選信號接 89C52的P1.3。其與主單片機的接口電路如圖 28所示。與 PC 機 通 訊 接 口考慮到大部分計算機只有 RS－232接口，所以我們專門設(shè)計了一個 RS－232接口實現(xiàn)與上位機的通訊。計算機的串行口通常采用一個 25針或9針的D連接器，在本設(shè)計中我們選用了 9針型的D型連接器，如圖29所示：圖28 實時時鐘與單片機接口原理圖圖29 9針D型連接器要進行通常的串行通信，只需其中的三根線就可以了，即2、3、5三根線，分別是數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、地線。由于單片機提供的電平是TTL的，而計算機提供的是RS232電平，要實現(xiàn)單片機與計算機的通信，必須對它們進行電平轉(zhuǎn)換，可用MAX232芯片來實現(xiàn)。具體電路如圖30所示：圖30MAX232芯片接口圖硬 件 抗 干 擾 設(shè) 計超聲波流量測量的準確性很大程度上依賴于系統(tǒng)對超聲波信號的正確識別， 然而超聲波流量計工作的環(huán)境通常比較比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對于 測量系統(tǒng)來說，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信的狀態(tài)以及 RAM 的讀寫，還會影響程序計數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來降低干擾。干擾的來源在超聲波流量測量系統(tǒng)中，造成干擾的干擾源有很多種，主要有：①流量計安裝環(huán)境中可能存在的較大的電場和磁場干擾；②靠近水泵安裝時水泵帶來的接近于超聲波信號的噪音；③電源的噪聲干擾。系統(tǒng)中我們使用的超聲波頻率為 1MHz，電源在這個頻率對系統(tǒng)的影響不大，采用通常的電源濾波技術(shù)就可以消除其影響；④發(fā)射信號對接收信號的干擾。發(fā)射信號功率較大，通過電路和聲路都可以耦合到接收電路上，如果管徑很小，換能器間距離很近，發(fā)波干擾的尾部就會波及接收波的波形，從而嚴重影響接收信號；抗干擾的措施對于本課題設(shè)計的流量計，我們主要采取了如下的硬件措施來提高系統(tǒng)抗 干擾性能：①電源。在系統(tǒng)使用的各種直流電源（如 +5V）的輸入端均跨接一個10～100μF的電解電容和一個0.01～0.1μF陶瓷濾波電容，以抑制電源尖峰干擾；收發(fā)電路用兩套相互隔離的電源供電，這樣從地線耦合的發(fā)波干擾就會大大減小；②接收范圍門。接收范圍門可以防止發(fā)射信號以及開關(guān)動作給接收信號來 的干擾；③自動增益技術(shù)。自動增益技術(shù)除了使信號便于測量外，還可以有效地制 噪聲干擾；④看門狗電路。程序在運行過程中會因為受到干擾導(dǎo)致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán) ，此時最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路通過P1.1給出復(fù)位脈沖可使系統(tǒng)復(fù)位，程序重新啟動運行。本系統(tǒng)采用X5045X5045Xicor電壓監(jiān)控、把關(guān)定時器和串行EEPROM三項功能于一體的專用集成芯片。X5045的引腳排列見圖31，其功能如下：CSSOSI為串行輸入；SCK為串行時鐘輸入為EEPROM寫保護輸入；RESET為復(fù)位信號輸出；VssVcc圖31X5045引腳排列X5045使用三線總線串行 (SPI)外設(shè)接口,對芯片進行操作的所有操作碼、字節(jié)地址及寫入的數(shù)據(jù)都從 SI引腳輸入，寫入數(shù)據(jù)在串行時鐘 SCK的上升沿被鎖存；從芯片讀取的數(shù)據(jù)從 SO引腳串行移出，并在 SCK的下降沿讀出數(shù)據(jù)。芯片的把關(guān)定時器和電壓監(jiān)視器都對單片機提供獨立的保護。當電源電壓降到 以下時，RESET引腳立即自動產(chǎn)生高電平復(fù)位信號，并一直保持到電源電壓恢復(fù)正常；當系統(tǒng)上電或掉電時， RESET引腳也自動產(chǎn)生一個高電平復(fù)位信號；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，只要把關(guān)定時器達到其可編程的超時極限， RESET引腳立即自動產(chǎn)生一個持續(xù) 200ms的高電平復(fù)位信號。這樣，就可有效地防止死機、數(shù)據(jù)誤寫及誤操作等故障的發(fā)生。其與單片機的連接如圖 32所示：⑤合理的布線技術(shù)。模擬信號線與數(shù)字信號線相對分開，信號線與電源線分 開；PCB布線時，將公共地線與電源線盡量加寬，并使它們盡可能靠近需供電的 電路；減小電源線和地線的長度，這樣可以減小電源線與地線的公共阻抗，減小 耦合干擾的產(chǎn)生；布線過程中避免回路有重復(fù)面積，以減小相互感應(yīng)；⑥接地技術(shù)。數(shù)字地和模擬地分開，它們在一點相連；兩個探頭各自使相 互獨立的地線，減小地線干擾耦合；儀表及探頭外殼接地；⑦屏蔽技術(shù)。運用屏蔽技術(shù)可以隔離通過空間耦合的電磁干擾，采取的措施是用金屬機殼將測量電路封裝起來。圖32 看門狗電路第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計時差法超聲波流量計是軟件和硬件共同組成的，硬件是功能得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而軟件則是通過硬件最終實現(xiàn)全部功能的橋梁。本超聲波流量計的整個軟件包括兩部分，一部分主要完成參數(shù)的設(shè)定、流量的計算和補償、測量結(jié)果的顯示和存儲以及與計算機的通訊；另一部分主要完成測量電路的控制、傳播時間的測量、和傳輸?shù)?。為了便于軟件的調(diào)試及今后的功能擴展，我們采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。本章將簡要介紹整個系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)，并著重介紹時間測量部分的多脈沖測量原理的算法實現(xiàn)。主程序主程序主程結(jié)束系統(tǒng)主流程圖首先對整個裝置進行初始化，然后開始啟動實時時鐘單元，即 DS12887片，開始工作，控制單片機接口 P1.0發(fā)出低電平方波，對計數(shù)單元進行清零初始化；第二步，通過軟件編程使單片機的 P1.1口發(fā)出高電平方波，通過觸發(fā)繼電器觸發(fā)超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波，同時觸發(fā)觸發(fā)器開始工作，使計數(shù)器對高頻方波經(jīng)過非門電路輸入到單片機的 INTO 接口，產(chǎn)生中斷，此時單片機通過 P0口取所存到74LS245單元中的計數(shù)值，并且讀取實時時鐘單元中的時間值，再通過單片機的計算處理，最后送到按鍵顯示電路，顯示出實時的流量。其主流程圖如上圖所示。顯示部分流程圖實時時鐘子程序進入主程序后，DS12C887首先進行初始化設(shè)置，若串行口有數(shù)據(jù)，最后則調(diào)用函數(shù)從日歷時鐘芯片獲取日歷時鐘信息，調(diào)用顯示函數(shù)顯示日歷時鐘信息顯示出來，重復(fù)進行。這部分包括 DS12C887某個單元寫、讀DS12C887某個單元的內(nèi)和DS12C887設(shè)定時間。發(fā)射接收子程序發(fā)射接收部分主要完成的是超聲波的發(fā)射接收，通過計算從超聲波發(fā)射到接收到這段時間，并且對高頻方波進行計數(shù)，再通過調(diào)用計算子程序，就可以算出此時的流量。計算子程序計數(shù)，并將計數(shù)值所存到計數(shù)器里面；另一方面，讀取實時時鐘電路的實時時鐘，單片機讀取值并調(diào)用計算公式計算實時的流量，最后通過中斷顯示電路，將其顯示出來。單片機軟件抗干擾措施超聲波流量計在工業(yè)現(xiàn)場使用時，有時大量存在的各種干擾源雖不會造硬件系統(tǒng)的損壞，但常常使單片機控制系統(tǒng)不能正常運行，使數(shù)據(jù)采集誤差加大甚 至程序運行失常。要使儀器正常工作，除了第四章所述的硬件抗干擾措施外，在 軟件上也要采取一定的抗干擾措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù) 據(jù) 采 集 誤 差 的 軟 件 對 策在系統(tǒng)輸入信號中含有種種噪音和干擾，它們主要來自被測信號本身、換能器或者外界的干擾。雖然在數(shù)據(jù)采集過程中，硬件電路使用了帶通濾波器，對噪聲的消除有一定的作用，但是這種方法對放大器頻帶那的噪聲不起作用，為此，通常采用信號處理的方法來消除信號中的噪音，這就是數(shù)字濾波。在上一節(jié)中我們已經(jīng)做了介紹，所以這里不再重復(fù)。控制狀態(tài)失常的軟件對策⑴單片機受到干擾后，往往會把操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個程序的混亂或程序跑飛。如果程序跳到某一條單字節(jié)指令上時，就不會發(fā)生把操作數(shù)當作指令碼的錯誤，程序就自動納入正軌；當程序跳到雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，程序就將繼續(xù)跑飛。因此，可以加入冗余指令，即在程序的關(guān)鍵跳轉(zhuǎn)指令前插入兩個單字節(jié)的空操作指令 NOP，就可以保護其后面的指令不被拆散而被整的執(zhí)行。⑵回波信號有時會因為一些原因發(fā)生計數(shù)脈沖丟失現(xiàn)象，這樣就會給計帶 來誤差，需要一個出錯處理?？梢酝ㄟ^設(shè)置一個中斷標志位專門作為脈沖接收與 否的檢測標志，在關(guān)閉接收電路后，軟件測試中斷標志位，如果不為 1，則說明此次發(fā)射出現(xiàn)脈沖丟失，手動清零中斷標志位之后，復(fù)位各部分電路重新測量。程 序 運 行 失 常 的 軟 件 對 策微機的程序是一步一步執(zhí)行的，由于外部的干擾或儀器內(nèi)的硬件瞬時故障， 使程序計數(shù)器 PC偏離原定的值跳到非程序區(qū)，導(dǎo)致程序失控，從而無法完成原設(shè)計任務(wù)。這種情況對系統(tǒng)來說，比某個數(shù)據(jù)出差錯造成的危害要嚴重得多，某個數(shù)據(jù)出錯只會使某個功能不能實現(xiàn)或產(chǎn)生偏差，程序失控則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。為防止上述情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計時，可以用在程序存儲器中未使用的內(nèi)存區(qū)，反復(fù)用 NOP、NOP、NOP、NOP、LJMPMAIN的語句填滿，當程序失時，只要單片機進入這眾多陷阱中的任一個，都會被捕獲，然后連續(xù)進行一個或幾個空操作（NOP，程序就會自動跳轉(zhuǎn)至主程序（ LJMPMAI）重新運行，這程序就恢復(fù)正常了。第六章系統(tǒng)誤差分析超聲波流量計屬于間接測量儀表，它對流體流量的測量是將被測流體的聲速、粘度、管道的內(nèi)徑、管道的壁厚，以及管壁材質(zhì)的聲速等作為已知條件，通過檢測超聲波信號在流體中沿順流方向和逆流方向的傳播時間，從而計算出流速和流量的。因此，超聲波流量計的實際測量誤差，既包括超聲波流量計本身的誤差，也包括被測流體、被測管道，以及其它現(xiàn)場測量條件在內(nèi)的整個測量系統(tǒng)的誤差。而它作為一種工業(yè)測量儀器，測量精度是一個比較重要的指標，要使系統(tǒng)具有較高的精度，我們就必須對影響流體流量測量的各種因素進行仔細分析、研究，然后在正確分析的基礎(chǔ)上，最大可能的減小各種可能的誤差。誤差基本理論誤差是評定精度的尺度。任何計量測試都不可避免的存在誤差，沒有誤差的測量是不存在的。在測量中，由誤差表示測得值與真值之差。按誤差的性質(zhì)和特點，誤差可分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類，可用絕對誤差和相對誤差兩種基本方式來表示。絕 對 誤 絕對誤差的定義為xxx0式中： x ——絕對誤差；x——測得值；x——被測值的真值，常用約定真值代替。0絕對誤差的特點：①絕對誤差是一個具有確定的大小、符號和單位的量值。單位給出了被測量的量綱，其單位與測得值相同。②絕對誤差不能完全說明測量的準確度。因此用絕對誤差不便于比較不量 值、不同單位、不同物理量等的準確度。與誤差絕對值相等、符號相反的值稱為修正值，常用 C表示，Cxx0x 。在測量儀器中，修正值常以表格、曲線或公式的形式給出，利用修正值可以求得對應(yīng)于該儀器的指示值的實際值： x0xc。相 對 誤 差相對誤差定義為絕對誤差 x 與被測量真值x0的比值，即：exx0在實際中，由于真值難以得到，故常用約定真值代替。為估計相對誤差方便起見，當約定真值也難以得到時，也可以近似用測量值x來代替x0。相對誤差的特點：①相對誤差具有大小和符號，其量綱為 1，一般用百分數(shù)來表示。②相對誤差常用來衡量測量的相對準確程度。誤差產(chǎn)生因素由時差法超聲波流量計的測量原理我們可以知道，聲束進入流體介質(zhì)的折射角、流體的流速和純凈度以及管徑、傳播延時、系統(tǒng)硬件的性能等都會給測量帶來或多或少的誤差。聲束進入流體介質(zhì)的折射角這里所說的折射角是超聲波信號在流體中行進方向與管壁法線之間的夾。當管壁材料、被測流體的聲學(xué)特性確定時， 角只取決于換能器的安裝度。實際換能器的安裝角度同名義值之間的偏差取決于換能器的制造工藝水平，只能控制在一定的允許誤差范圍內(nèi)。另一方面，換能器是成對使用的，而每個換能器的安裝角度偏差的大小、方向以及聲阻抗也各不相同，換能器沿順、逆流方向的安裝還可以互換，因此聲速入射角的偏差對測量結(jié)果的影響是不可避免的。根據(jù)流體流速計算公式 v

tt 2d2 1

，對于夾裝式超聲波流量計，超聲波在被tt sin12測流體中的聲速 v與sin2成反比。如果超聲波經(jīng)過換能器、管壁后進入流體的折射角