文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)06-0082-03
管段式超聲波流量傳感器由于不易被堵塞、可適應(yīng)各種具有較強(qiáng)腐蝕的液體而日益得到重視。雖然該類設(shè)備已被廣泛應(yīng)用，但仍然存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)使用范圍受到限制，由于管段式傳感器需要破壞流體現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝[1]。(2)測(cè)量結(jié)果易受被測(cè)液體的壓力、密度、粘度等參數(shù)影響；有時(shí)在高壓力、高密度、高粘度的環(huán)境下會(huì)造成超聲波探頭的永久損壞，造成不可估量的損失。(3)多數(shù)此類傳感器采用高電壓驅(qū)動(dòng)探頭，使得功耗高，也對(duì)現(xiàn)場(chǎng)造成一定的影響。(4)計(jì)時(shí)精度低，使得對(duì)液體流速的分辨率變低。
非接觸式超聲波流量傳感器是根據(jù)超聲波在被測(cè)液體內(nèi)順流和逆流傳播的時(shí)間差制成的測(cè)定液體流速的儀表。其安裝采用非介入式夾裝在被測(cè)管道的外側(cè)，能夠用于惡劣的環(huán)境；同時(shí)在測(cè)量管內(nèi)徑一定時(shí)，皮秒級(jí)計(jì)時(shí)精度使得順流和逆流測(cè)得時(shí)間差與其瞬時(shí)流速呈線性關(guān)系，而與其他物理參數(shù)(如壓力、密度、粘度等)無關(guān)，且對(duì)液體的低流速分辨率高。
本文通過對(duì)非接觸式的超聲波流量檢測(cè)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)出一種流量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體流量低功耗、高精度、高可靠性、高分辨率的檢測(cè)。
1 流量的超聲波檢測(cè)基本原理
時(shí)差測(cè)量法的基本原理如圖1所示[2]。當(dāng)探頭A發(fā)射，B接收時(shí)，聲波順流傳播，速度快，時(shí)間短，可寫為：
而探頭B發(fā)射，A接收時(shí)，聲波逆流傳播，速度慢，時(shí)間長，可寫為：
因V<<C，故V2可忽略，故得：
可見，當(dāng)C和L為常數(shù)時(shí)，液體流速V便與Δt成線性關(guān)系。
2 流量檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
非接觸式的超聲波流量傳感器由超聲波探頭和信號(hào)接收處理等部分組成。超聲波探頭將驅(qū)動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波傳遞；信號(hào)接收處理部分將獲取的微伏級(jí)的回波電壓經(jīng)過放大、濾波等處理后，使其變成工業(yè)儀表所能接收的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流或脈沖信號(hào)，再經(jīng)過接收處理，得到超聲波每次傳遞的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)流速和流量的顯示、記錄和運(yùn)算。
2.1 總體方案
總體方案如圖2所示，包括驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理、接收電路和計(jì)時(shí)電路等幾部分。
2.2 驅(qū)動(dòng)電路
超聲波驅(qū)動(dòng)方式有單脈沖和多脈沖兩種驅(qū)動(dòng)方式[3]。
通常情況下，液體流速測(cè)量的超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)方式一般采用單端較高電壓驅(qū)動(dòng)，比如圖1中的A和B探頭均采用30～200 V的電壓驅(qū)動(dòng)。但在本文中，對(duì)A和B探頭分別采用電壓僅16 V的低壓差分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其功耗盡可能低。
探頭采用三線制分別為正、負(fù)和地，在此分別以地為參考對(duì)正和負(fù)端進(jìn)行多脈沖驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示：1為正端驅(qū)動(dòng)波形，2為負(fù)端驅(qū)動(dòng)波形；1和2波形在相位上相差一個(gè)相位。
然后，通過示波器直接觀察超聲波探頭正負(fù)兩端的波形可以看到其驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。從圖中得知在該種差分驅(qū)動(dòng)方式下，16 V的差分驅(qū)動(dòng)電壓而獲得32 V的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓，使得事半功倍。
2.3信號(hào)接收與處理電路
非接觸式的超聲波流量檢測(cè)技術(shù)是超聲波測(cè)速的具體應(yīng)用。信號(hào)接收與處理電路是探頭與單片機(jī)的中介，它是測(cè)量系統(tǒng)中硬件的關(guān)鍵部分，作用是將探頭的微伏級(jí)回波電壓信號(hào)經(jīng)放大濾波后，再轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)電路需要的脈沖信號(hào)，然后將順流或逆流時(shí)間送入到單片機(jī)中做處理換算成被測(cè)液體實(shí)時(shí)流速V。其信號(hào)接收與處理電路原理框圖[4-5]如圖5所示。
2.3.1 接收電路
由于回波信號(hào)是每次順逆流A或B探頭輪流輸出的，所以必須對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收切換。比如，當(dāng)A探頭發(fā)射聲波時(shí)，回波信號(hào)必須切換到B探頭為接收信號(hào)，反之相同。
接收電路中選用光電開關(guān)，與模擬開關(guān)相比具有高載荷電壓、干擾隔離好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)有導(dǎo)通電阻小、偏置電流低、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。在此選用了AQY212光電開關(guān)。
2.3.2 一級(jí)信號(hào)放大與濾波
為了對(duì)超聲波探頭的回波信號(hào)進(jìn)行處理，需要將其放大和濾波。由于回波信號(hào)是微伏級(jí)的電壓微信號(hào)，為了降低共模信號(hào)對(duì)其的干擾，信號(hào)放大需滿足偏置電流低、增益高、選擇性好、頻率響應(yīng)好、低溫漂和高帶寬要求。另外，回波中帶有干擾信號(hào)，為了消除干擾，需精確地選出回波信號(hào)的頻段，同時(shí)不引進(jìn)新的干擾信號(hào)。
綜上分析，若有源放大器本身具有選頻特性，在此有源放大器引入的干擾信號(hào)可以通過后續(xù)的無源器件濾掉，這樣就既滿足了將探頭微伏級(jí)回波信號(hào)的放大，又很好地消除干擾信號(hào)、精確選頻、濾波效果好。經(jīng)過再三查證，本文選用中頻放大器MC1350和中周配合使用，其放大和濾波效果完全滿足要求。
2.3.3 二級(jí)信號(hào)放大
經(jīng)過一級(jí)放大之后，由于放大倍數(shù)不夠，所以還需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大，利用反相放大電路來放大經(jīng)過一級(jí)放大濾波處理的信號(hào)。再經(jīng)過二級(jí)放大之后的探頭回波信號(hào)波形如圖6所示。
2.3.4 比較電路
回波信號(hào)經(jīng)過前面的處理后，將信號(hào)輸入到比較電路中，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電壓作為比較閾值電壓，當(dāng)回波信號(hào)波形高于此閾值電壓時(shí)就產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的回波脈沖，即為此次計(jì)時(shí)結(jié)束的脈沖信號(hào)。在此選用了比較器MAX9202，具有響應(yīng)速度快、偏置電流小等特點(diǎn)。
2.4 計(jì)時(shí)電路
計(jì)時(shí)電路是整個(gè)檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，其順流或逆流每次超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確性決定了整個(gè)傳感器的測(cè)量精度、可靠性和穩(wěn)定性等。
如圖7所示，順流或逆流的超聲波傳播時(shí)間為t，t為驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)射脈沖為計(jì)時(shí)起點(diǎn)到回波信號(hào)經(jīng)過比較器后的脈沖為計(jì)時(shí)終點(diǎn)[6]。
根據(jù)式(1)、式(2)，由于超聲波在液體里的傳播速度室溫時(shí)為C=1 500 m/s,在靜態(tài)時(shí)，V=0，取DN=20 mm(小管徑為例)，θ=30°，則得到
由上面在小管徑的室溫靜態(tài)時(shí)，順逆流單次傳播時(shí)間僅為13.3 μs。可以得出動(dòng)態(tài)傳播時(shí)差會(huì)更小，因此可針對(duì)微秒級(jí)甚至到納秒級(jí)計(jì)時(shí)。
綜上，本文選用德國ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21，其時(shí)間測(cè)量范圍90 ps～4 ms。
2.5 主控電路
在該系統(tǒng)中,有較多的控制時(shí)序,比如發(fā)射驅(qū)動(dòng)時(shí)序、發(fā)射與接收控制時(shí)序、計(jì)時(shí)電路時(shí)序等，且時(shí)序控制要求準(zhǔn)確和可靠。若單獨(dú)采用一個(gè)微處理器既完成時(shí)序控制，又測(cè)定數(shù)據(jù)處理計(jì)算、顯示、儲(chǔ)存等，不僅影響了系統(tǒng)時(shí)序控制的準(zhǔn)確度，而且降低了其運(yùn)算速度和精度。因此選用兩個(gè)微處理器ARM芯片和CPLD。
選用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2132作為核心處理器。
在CPLD家族中,選用Altera公司的MAXⅤ芯片，其具有編輯性強(qiáng)、操作簡單、功耗低和速度快等特點(diǎn)，并能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
非接觸的超聲波流量檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的流量傳感器，采用外夾持式結(jié)構(gòu)，使其測(cè)量不受被測(cè)量介質(zhì)的壓力、密度、粘度和腐蝕度等因素影響；同時(shí)不需要對(duì)原有的被測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)和管道進(jìn)行破壞，維持了原有的工作現(xiàn)場(chǎng)并提高了工作效率。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
基于此項(xiàng)流量檢測(cè)技術(shù)研究制成的非接觸的外夾持式超聲波流量傳感器樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)裝置上以水為測(cè)量介質(zhì)，使用經(jīng)過中國計(jì)量科學(xué)研究院檢定的某高精度的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)精度為0.2%，重復(fù)性誤差為0.5%，測(cè)量范圍為0.1～10 m/s；實(shí)驗(yàn)管徑為100 mm。
同時(shí)選用了一臺(tái)管段式超聲波流量傳感器，管徑為100 mm，主控CPU采用單核的單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在不同壓力情況下做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
樣機(jī)、管段式超聲波流量傳感器與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在液體壓力為4 MPa時(shí)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
由以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，無論是在精度上還是在可靠性上非接觸式的外夾持式超聲波流量傳感器都比管段式的超聲波流量傳感器略勝一籌。
本文非接觸式的超聲波時(shí)流量檢測(cè)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的流量傳感器具有以下特點(diǎn)：
(1)測(cè)量精度高，重復(fù)性誤差小，可靠性高，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到本傳感器的精度高達(dá)0.87%，重復(fù)性誤差小于0.14%。
(2)流速最低能夠測(cè)到0.1 m/s,流速分辨率高；功耗低、計(jì)時(shí)精度和準(zhǔn)確度高，使其穩(wěn)定性好。
(3)外夾持的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可適用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，尤其是惡劣的環(huán)境下。
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