超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)

1、湖南理工學(xué)院 畢業(yè)論文 題目：作 者：屆 別： 院 別：專 業(yè)：指導(dǎo)老師：職 稱：完成時(shí)間:摘要超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性來測(cè)量流量的計(jì)量?jī)x表。憑借其非接觸測(cè)流、儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無關(guān)、精度高、測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等自身的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。然而，由于超聲波流量計(jì)只是在近幾十年才出現(xiàn)的一種新型儀表，還有很多不完善的地方，比如成本較高、精度不夠等，有必要對(duì)其加以改進(jìn)和提高。本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表不同，它具有機(jī)械式儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)，而且因其采用高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2進(jìn)行時(shí)間

2、測(cè)量，保證了測(cè)量的精度。本設(shè)計(jì)采用時(shí)差法原理進(jìn)行測(cè)量流體流速，進(jìn)而計(jì)算出瞬時(shí)流量。論文從流量計(jì)的發(fā)展歷史和背景到超聲波流量計(jì)的原理、特點(diǎn)以及國內(nèi)外發(fā)展概況，詳細(xì)地介紹了超聲波流量計(jì)。另外，論文又詳細(xì)研究了時(shí)差法超聲波流量計(jì)的理論知識(shí)，并在理論基礎(chǔ)上研究了超聲波流量計(jì)的硬件電路與軟件部分，其中所用的高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2以及單片機(jī)STC89C58RD+是本設(shè)計(jì)的核心部分。本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)流量的測(cè)量與輔助功能的實(shí)現(xiàn)，有較廣闊的研究前景。緒論1.1流量計(jì)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀概述數(shù)千年前，人們?yōu)榱诉m應(yīng)水利和農(nóng)業(yè)灌溉的需要，就已經(jīng)開始關(guān)注流量測(cè)量的問題。流量測(cè)量作為人類文明的一種標(biāo)志，是計(jì)量科

3、學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它不僅廣泛用于農(nóng)業(yè)和水利，也廣泛用于化工、石油、冶金以及人民生活各個(gè)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(qiáng)。最早的流量測(cè)量發(fā)生在公元前1000年，古埃及人通過對(duì)尼羅河流量的測(cè)量來預(yù)計(jì)當(dāng)年收成的好壞，古羅馬人利用孔板測(cè)量的方法在修建引水渠時(shí)進(jìn)行流量測(cè)量。而到目前為止，流量計(jì)的發(fā)展也有了幾百年的時(shí)間，早在1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以伯努利方程為基礎(chǔ)，利用差壓法測(cè)量水流量；后來意大利人文丘里研究用文丘里管測(cè)量流量，并于1791年發(fā)表了研究結(jié)果；1886年，美國人郝謝爾用文丘里管制成測(cè)量水流量的實(shí)用裝置。20世紀(jì)初期到中期，原有的流量原理逐漸成

4、熟，人們開始探索新的測(cè)量原理。自1910年起，美國開始研制測(cè)量明溝中水流量的槽式流量計(jì)。1992年，帕歇爾將原文丘里水槽改革為帕歇爾水槽。1911-1912年，美籍匈牙利人卡門提出卡門渦街的新理論。30年代，又出現(xiàn)了探討用聲波測(cè)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(jìn)展，直到1955年才出現(xiàn)應(yīng)用聲循環(huán)法的馬克森流量計(jì)，用于測(cè)量航空燃料的流量，1945年，科林用交變磁場(chǎng)成功地測(cè)量了血液流動(dòng)的情況。由于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)落后，直到20世紀(jì)50年代，工業(yè)中使用的主要流量計(jì)也只有孔板、皮托管、浮子流量計(jì)三種。20世紀(jì)60年代以后，隨著國際經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)量?jī)x表開始向精密化、小型化方

5、向發(fā)展。至今，我國已經(jīng)形成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測(cè)量技術(shù)與儀表研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，從事流量?jī)x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際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(chǎng)的需求，一些新型的流量計(jì)，如渦街流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、射流流量計(jì)等的技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平有較大的差距，需要有較充足的經(jīng)費(fèi)支持并通過艱苦的努力，才有可能達(dá)到國際先進(jìn)水平。1.2超聲波流量計(jì)概述超聲波是指聲音頻率高于人耳聽覺范圍的聲波，其頻率大于20KHz ，與一般聲波相比，它的振動(dòng)頻率高，波長短，具有束射特性，可以定向傳播，具有很強(qiáng)的穿透能力，在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的

6、增加，能量逐漸衰減。為了消除聲速變化對(duì)測(cè)量精度的影響，頻差法超聲波流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，這種流量計(jì)的聲速受溫度變化的影響遠(yuǎn)小于時(shí)差法，靈敏度高，測(cè)量范圍廣，因而這種方法成為測(cè)量大管徑大流量超聲流量計(jì)的主要方案。目前市場(chǎng)上管道式氣體用的超聲波流量計(jì)的最大管徑可達(dá)到1100mm ，最多的有6個(gè)聲道，精度可以達(dá)到0.1的等級(jí)。夾持式氣體用超聲波的管徑最大可達(dá)到1500mm ，最多可以有8聲道，精度在0.5%-1%測(cè)量值之間。今年國際市場(chǎng)較為引人注目的超聲氣應(yīng)用，就是中國的西氣東送項(xiàng)目。在這一世界最長的氣體輸送管線上，每年要輸送超過40億美金的天然氣，總計(jì)有13套超聲氣體流量計(jì)在這一管線應(yīng)用。我國超聲波流量

7、計(jì)年產(chǎn)量90年代初估計(jì)為800-1000臺(tái)。我國于94年正式出版了由中國計(jì)量科學(xué)院組織有關(guān)專家起草、分別經(jīng)國家技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部批準(zhǔn)的“JJG198-94速度式流量計(jì)”的國家計(jì)量檢定規(guī)程(包括超聲波流量計(jì)JJG(建設(shè)0002-94超聲流量計(jì)(傳播速度差法、多普勒法 的部門計(jì)量檢定規(guī)程。這是我國超聲波流量計(jì)發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志。我國目前的超聲波流量計(jì)的研制和生產(chǎn)仍然是屬于比較落后的，盡管這些年來國外很多大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)企業(yè)紛紛進(jìn)駐中國市場(chǎng)帶動(dòng)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，出現(xiàn)了上文所提到的國內(nèi)超聲波流量計(jì)生產(chǎn)廠家，但總體上來講，我們現(xiàn)有技術(shù)和生產(chǎn)水平仍是落后的，與國際先進(jìn)水平存在較大的差距。目前國內(nèi)超

8、聲波流量計(jì)市場(chǎng)的現(xiàn)狀是:高精度超聲波流量計(jì)依賴進(jìn)口，低檔產(chǎn)品過剩。超聲波流量計(jì)在工業(yè)中的應(yīng)用包括氣體、液體以及固體物質(zhì)流量的測(cè)量，其測(cè)量范圍對(duì)大多數(shù)液體介質(zhì)而言，流速從每秒幾厘米到每秒十幾米，管徑從小于1厘米到幾米，工作溫度從低溫(如液態(tài)氧、液化天然氣 到上千度的高溫，允許工作壓力從接近真空到幾百個(gè)大氣壓，其響應(yīng)時(shí)間從幾毫秒到24小時(shí)。和傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、使用和維護(hù)方便。超聲波流量計(jì)可以夾持在管道外側(cè)安裝，無需對(duì)管道進(jìn)行改動(dòng)，這給臨時(shí)檢查管內(nèi)的流量提供了方便。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(cè)量不

9、同管徑的管道流量，使用時(shí)不必嚴(yán)格考慮管材和壁厚，且其造價(jià)基本上與管徑無關(guān)，更適合于大管徑、大流量的場(chǎng)合。3. 待測(cè)液體只要可以傳播聲波就可以對(duì)其進(jìn)行管外測(cè)量。這種非接觸測(cè)量方法無壓力損失，不破壞流場(chǎng)，部件不受流體腐蝕和磨損。4. 可以直接給出被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累積流量，可以用模擬量或數(shù)字量輸出。5. 對(duì)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(jì)測(cè)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(cè)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(cè)量非導(dǎo)電性液體，在無阻撓流量測(cè)量方面是對(duì)電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充。6. 除測(cè)量流速和流量外，與微機(jī)

10、聯(lián)合使用，使其智能化后，可以進(jìn)行各種管道、流體參數(shù)的設(shè)置，還可以自動(dòng)地對(duì)流體的其他參數(shù)(如成份、濃度、速度面等 進(jìn)行綜合測(cè)量。超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示兩部分組成，是一種利用超聲波脈沖來測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表。超聲波流量計(jì)有多種分類方法，主要有：（1）按照安裝方式分類：外夾式、插入式、管段式。外夾式傳感器安裝時(shí)需要將管外壁的擬安裝位置打磨光滑后用耦合劑將傳感器（探頭）貼于管外壁再用專用夾緊裝置固定。該方式能方便地在管外進(jìn)行水流量測(cè)量，也適合便攜式。缺點(diǎn)是易因耦合劑的處置不當(dāng)引起信號(hào)接收狀態(tài)惡變而影響測(cè)量的穩(wěn)定性。插入式傳感器安裝時(shí)用鉆孔工具在不停產(chǎn)狀態(tài)下將傳感器(探頭

11、 插入管路中。優(yōu)點(diǎn)是能在水管內(nèi)壁結(jié)垢或水中帶氣情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的測(cè)量。管段式傳感器安裝時(shí)需要切開選定的直管段，采用法蘭聯(lián)接。產(chǎn)品已經(jīng)過專門出廠標(biāo)定，好處是傳感器可以不停產(chǎn)進(jìn)行維修，特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確度高。（2）按照測(cè)量原理不同分類（常用）：多普勒超聲波流量計(jì)和時(shí)差法超聲波流量計(jì)。多普勒超聲波流量計(jì)是利用相位差法測(cè)量流速，即超聲波在流體中運(yùn)動(dòng)，由于液體本身有一運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致超聲波在接收器與發(fā)射器之間的頻率或相位發(fā)生相對(duì)變化，通過測(cè)量這一相對(duì)變化就可獲得液體速度；時(shí)差型是利用時(shí)間差法測(cè)量流速，即超聲波傳播速度由于流體流動(dòng)而使得其在接收器與發(fā)射器之間傳播時(shí)間發(fā)生變化，通過測(cè)量此時(shí)間變化就可獲得流體流速

12、。多普勒超聲波流量計(jì)的原理： 換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，經(jīng)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，f2與f1之差即為多譜勒頻差。設(shè)流體流速為v ，超聲波聲速為c ，多譜勒頻移正比于流體流速v ，則vcf f f f v c L t d =-=+=sin 2cos 1121 當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率和聲速確定以后，c 、f1、即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理：時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測(cè)量流體流量的。

13、如下圖，換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，這是順流方向，其傳播時(shí)間為： 反之，逆流方向的傳播時(shí)間為： cos 2v c L t -=時(shí)間差為：222121cos cos 2v c Lv t t t -=-=由于cv，故(忽略不計(jì)、222cos cos 2v v c L t = 所以，流體流速t L =cos 2c v 2 其中c 、L 、均為常數(shù)，測(cè)得時(shí)間差t 即可求出流體流速v 進(jìn)而求得流體流量。 （3）按照使用方式不同分類：固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。兩者的主要區(qū)別如下：適用場(chǎng)合不同：固定式超聲波流量計(jì)用于安裝在某一固定位置，對(duì)某一特定管道內(nèi)流體的流量進(jìn)行長期不間斷的計(jì)量；便攜

14、式超聲波流量計(jì)具有很大的機(jī)動(dòng)性，主要用于對(duì)不同管道的流體流量作臨時(shí)測(cè)量。1.3本課題的主要研究?jī)?nèi)容本文通過充分調(diào)研并查閱大量文獻(xiàn)資料，選擇基于TDC-GP2時(shí)間測(cè)量芯片的時(shí)間差法超聲波流量計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 超聲波傳感器的技術(shù)指標(biāo)及使用方法（擬選擇使用最廣泛的壓電型超聲波傳感器，選取兩個(gè)收/發(fā)型超聲波探頭）；2. 超聲波探頭的安裝方式對(duì)比選?。╖ 型、V 型、W 型），擬選擇V 型安裝方法；3. 時(shí)差法超聲波測(cè)流量的原理，針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度容易受溫度影響的問題，采用改進(jìn)型算法將溫度影響在理論上消除；4. 單片機(jī)芯片的選擇，要求低功耗、低價(jià)格、芯片的功能能滿足本設(shè)計(jì)的所有要求；5.

15、 自檢報(bào)警模塊：擬采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，對(duì)流量低于或高于規(guī)定閾值進(jìn)行報(bào)警；6. 數(shù)據(jù)處理模塊：要求滿足不低于B 級(jí)精度（因選用高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2，精度可以滿足要求），也可以考慮多組測(cè)量之后進(jìn)行處理，如選擇求取算術(shù)平均值作為最終測(cè)量結(jié)果；7. 測(cè)量結(jié)果顯示模塊設(shè)計(jì)：擬選擇LCM 液晶模塊；8. 各個(gè)模塊與單片機(jī)及TDC-GP2芯片的連接：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制TDC-GP2芯片，進(jìn)行適時(shí)的時(shí)間測(cè)量，從而調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行流量計(jì)算，同時(shí)調(diào)用自檢報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，最后調(diào)用顯示模塊進(jìn)行流量結(jié)果顯示。二、時(shí)差法超聲波流量計(jì)的理論研究2.1流量的基本概念流量是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體

16、量，又稱瞬時(shí)流量。當(dāng)流體量以體積表示時(shí)稱為體積流量；當(dāng)流體量以質(zhì)量表示時(shí)稱為質(zhì)量流量。單位時(shí)間通過流管內(nèi)某一橫截面的流體的體積，稱為該橫截面的體積流量。簡(jiǎn)稱為流量，用Q 來表示。本課題所測(cè)為水的體積流量。體積流量Q 的計(jì)算式為：Q=v*A式中，A 為與流體流速相垂直的管道橫截面積，單位為; v為沿管道橫截面上的流體平均速度，m/s。 2.2超聲波換能器安裝方式簡(jiǎn)介現(xiàn)在大多數(shù)超聲波流量計(jì)的安裝方式均采用夾裝式，即將超聲波探頭夾持固定，安裝在被測(cè)管道的管壁上，對(duì)于單聲道的流量計(jì)，其僅有兩個(gè)超聲波探頭，其安裝方式大體可以分為四種，分別為V 法、Z 法、N 法和W 法。（NO 低功耗） 圖2-1 V法

17、安裝示意圖V 法安裝的應(yīng)用最多，它的特點(diǎn)是使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)管徑范圍為25mm-3000mm 左右。安裝時(shí)需要注意兩個(gè)探頭要水平對(duì)齊，要求其中心線與管道中心線要水平成一線。其安裝示意圖見圖2-1。當(dāng)管道的管徑較大，或液體中有懸浮物、管道結(jié)垢或管道襯里很厚時(shí)，V 法安裝可能就無法正常工作了，這時(shí)就要選擇Z 法安裝。如圖2-2所示，超聲波在管道中直接傳播，不發(fā)生折射。 圖2-2 Z法安裝示意圖N 法安裝適用于測(cè)量小管徑的管道，超聲波波束在管道中折射兩次，三次穿過流體，這種方法可以提高測(cè)量精度。其安裝示意圖可參考圖2-3。 圖2-3 N法安裝示意圖W 法安裝方式的原理同N 法一樣，也是通過延長

18、超聲波傳輸距離的辦法來提高測(cè)量精度，這種方法適用于管徑小于50mm 的小管徑管道，如圖2-4所示，這種安裝方式使得超聲波波束在管道內(nèi)折射了三次，穿過了流體四次。 圖2-4 W法安裝示意圖以上此種超聲波換能器的安裝方式中，Z 法和W 法的使用相對(duì)較多。當(dāng)測(cè)量較大管徑的管道流體速度時(shí)可以選用Z 法，當(dāng)測(cè)量較小管徑的管道流體速度時(shí)可以選用W 法，本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)應(yīng)用在方面，管徑相對(duì)較大，故采用V 法安裝方式。2.3時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理及影響測(cè)量的主要因素超聲波流量計(jì)的基本原理是:利用超聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時(shí)存在時(shí)間差，而傳播時(shí)間的差異與被測(cè)流體的流速有關(guān)系，因此測(cè)出時(shí)間的差

19、異就可以得出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量。本課題的研究對(duì)象是時(shí)差法超聲波流量計(jì)，下面將具體介紹其測(cè)量原理。從圖2-5所示的時(shí)差法超聲波計(jì)的測(cè)量原理圖中可以看出，兩個(gè)超聲波換能器分別安裝在被測(cè)流體管徑的兩側(cè)，通過一定的方式可以改變超聲波在流體中的傳播方向，通過測(cè)量超聲波在流體中的順流和逆流傳播時(shí)間差就可以間接測(cè)得流體的流速，進(jìn)而計(jì)算出流量值。 圖2-5 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的是超聲波在流體中的傳播時(shí)間，通過測(cè)量超聲波在順流和逆流時(shí)的傳播時(shí)間差t 來獲得流體的流量，具體原理如下: 設(shè)超聲波順流傳播時(shí)間為:cos sin /1v c D t += （1.1） 超

20、聲波逆流傳播時(shí)間為：cos sin /2v c D t -= （1.2）其中D 為管道直徑，v 為被測(cè)流體的流速，c 為超聲波在靜止流體中的傳播速度，為超聲波發(fā)射角度。式(1.1與式(1.2相減得：超聲波順逆流的傳播時(shí)間差t 為:22212cos sin cos 2v c Dv t t t -=-= （1.3）由于超聲波在靜止流體中傳播的速度c 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)流體的實(shí)際流速v ，即cv。因此可得:2222cos cv v - （1.4）則(1.3式可以簡(jiǎn)化為: tan 22c Dc t = （1.5） 將(1.5中的v 移到等式的左邊可以得到其計(jì)算公式: t Dc v =2tan 2 （1.6）

21、 在式(1.6中，超聲波在靜止流體中的速度c 通常取為常量，一般約為1500m/s，因此，被測(cè)流體的流速v 只與參數(shù)D 、超聲波發(fā)射角度、時(shí)間差t 有關(guān)，而D 與視為系統(tǒng)參數(shù)，因此只要測(cè)得時(shí)間差t 便可求得流速v ，進(jìn)而求得流量Q 。對(duì)于圓形管道而言，流量計(jì)算公式為:KDc K v D Q 8tan 422=其中，K 為流體流速修正系數(shù)。 從上面的測(cè)量原理可以看出，只要測(cè)得超聲波順逆流的傳播時(shí)間差t 就可以計(jì)算得到流量值，因此，獲得精度較高的t 值才能得到高精度流量測(cè)量值。在非理想狀況下，管壁傳播時(shí)間、流場(chǎng)分布等因素將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，直接造成按照理論計(jì)算得到的結(jié)果不準(zhǔn)確。影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)

22、測(cè)量精度的因素可以概括為以下幾點(diǎn):(1折射定律的影響。聲波在不同的介質(zhì)表面發(fā)生入射時(shí)會(huì)發(fā)生折射，在這里，聲楔、管壁以及管道內(nèi)部的流體介質(zhì)不同會(huì)發(fā)生折射，由此會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間差。(2發(fā)射驅(qū)動(dòng)造成的時(shí)間上的差異。當(dāng)單片機(jī)傳來的脈沖信號(hào)分別傳遞到換能器A 和B 時(shí)，由于A 和B 是兩個(gè)不同的換能器，即使型號(hào)相同，也不可能做到兩個(gè)換能器在性能上絕對(duì)一致，這就造成了信號(hào)發(fā)射造成的時(shí)間差。(3信號(hào)接收過程造成的時(shí)間差。兩個(gè)換能器有兩個(gè)接收通道，兩個(gè)接收通道不一定完全對(duì)稱，這就會(huì)造成接收信號(hào)中有額外的時(shí)間差混入。除了以上幾點(diǎn)，還有可能影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素還包括在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)管道中流體的流

23、動(dòng)情況十分復(fù)雜，管道內(nèi)外的溫度也可能有較大的差別，影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的因素可以概括為溫度變化、流速分布不均勻、管壁厚度、聲路延遲等諸多因素。由于現(xiàn)在大多數(shù)的超聲波流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中多采用外夾式探頭，所以對(duì)于其探頭凹進(jìn)處流速的變化這一因素可以不予考慮。如果電路、聲路采用近似對(duì)稱的設(shè)計(jì)的話，對(duì)于電、聲路的傳播延遲這一影響因素也可以不予考慮。最后可以將流量計(jì)的誤差集中在溫度變化的影響上，故設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮這方面的因素，采取相應(yīng)措施避免影響。對(duì)于溫度對(duì)流速的影響，從推導(dǎo)出的公式可以看出，其中包含的聲速c 受溫度變化的影響是比較大的，當(dāng)管道內(nèi)外的流體溫度和環(huán)境溫度相差較小時(shí)這種影響可以忽略不

24、計(jì)，但當(dāng)這種溫度的差別較大時(shí)，這個(gè)參數(shù)將大大的影響流速的測(cè)量結(jié)果。欲解決溫度因素對(duì)流速c 的影響問題，我們采用改進(jìn)型時(shí)差法。本文采用的超聲波換能器安裝方式為V 型安裝，以下以V 型安裝為例進(jìn)行改進(jìn)型時(shí)差法的原理介紹。在V 型安裝下，由于超聲波傳播路徑是同管徑同半路徑的Z 型安裝的2倍，超聲波順流、逆流傳播時(shí)間也為Z 型安裝時(shí)的2倍，式子如下：1cos 2sin t d v C =+2cos 2sin t d v C =- 其中為順流時(shí)的傳播時(shí)間，為逆流時(shí)的傳播時(shí)間將兩式分別變形為以下形式： 2sin 22112d t t t t v -=dv Q = 此時(shí)得到的計(jì)算式從理論上將C 消去了，進(jìn)而

25、在理論上避免了溫度對(duì)流體流速測(cè)量的影響，即避免了對(duì)流量測(cè)量的影響。 方案確定：基于以上理論分析和研究，本文設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)使用時(shí)差法原理，V 型安裝，按照改進(jìn)型計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，避免溫度這一關(guān)鍵影響因素的影響，盡可能提高本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度。由改進(jìn)型算法推導(dǎo)出的v 的計(jì)算式可以看到，當(dāng)管道及超聲波探頭安裝完畢后，D 和兩個(gè)參數(shù)便確定，影響v 的只有超聲波 順流逆流傳播時(shí)間和，若這兩個(gè)時(shí)間測(cè)量精度高則最終流量測(cè)量的精度也高，因此在選擇本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件時(shí)鑒于此因素選用TDC-GP2高精度時(shí)間測(cè)量芯片，以此來提高整體精度。2.4本課題擬解決的關(guān)鍵問題（1）TDC-GP2芯片的技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用在流量測(cè)

26、量方面的使用方法；（2）TDC-GP2芯片高精度測(cè)量時(shí)間的基本原理；（3）實(shí)現(xiàn)超聲波流量測(cè)量功能的電路原理圖的繪制及模塊功能介紹；（4）單片機(jī)對(duì)TDC-GP2高頻脈沖發(fā)射端的控制，以形成順、逆流兩種發(fā)射狀態(tài)，進(jìn)而測(cè)量出順、逆流兩個(gè)超聲波傳播時(shí)間用于求算出流量；（5）正確安裝超聲波探頭；（6）選擇合適并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的單片機(jī)、LCM ；（7）能正確顯示、報(bào)警，完成既定功能。三、時(shí)差法超聲波流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2的介紹TDC-GP2 是ACAM 公司通用TDC 系列的新一代產(chǎn)品。它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。TDC-GP2芯片有兩個(gè)測(cè)

27、量范圍，本設(shè)計(jì)采用測(cè)量范圍2： 單通道，典型分辨率可達(dá)50ps rms 測(cè)量范圍500ns 4ms 間隔脈沖對(duì)分辨能力為兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，可進(jìn)行3次采樣 輸入信號(hào)可以選擇上升沿/下降沿單獨(dú)觸發(fā)，或者上升沿和下降沿同時(shí)觸發(fā) 3 次采樣中分別由三個(gè)去噪聲窗口過濾 數(shù)字TDC 是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的。在測(cè)量范圍2 中采用前置配器來擴(kuò)展可測(cè)量的最大時(shí)間間隔，分辨率保持不變。在此模式下，TDC 的高速單元并不測(cè)量整個(gè)時(shí)間間隔，僅僅測(cè)量從START 或STOP 信號(hào)到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的間隔時(shí)間（fine-counts ）。在兩次精密測(cè)量之間，TDC 記下基準(zhǔn)時(shí)鐘

28、的周期數(shù)（coarse-count ）。 圖3-2 TDC-GP2時(shí)間測(cè)量原理圖3.2低功耗單片機(jī)STC 介紹STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)是STC 推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，HD 版本和90C 版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。此系列單片機(jī)的特點(diǎn)如下：（1）增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；（2）工作電壓：5.5V-3.3V （5V 單片機(jī)）/3.8V-2.0V（3V 單片機(jī)）；（3）工作頻率范圍：0-40MH

29、z ，相當(dāng)于普通8051的0-80MHz ，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz ；（4）用戶應(yīng)用程序空間：4K/8K/13K/16K/32K/64K字節(jié)；（5）片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)RAM ；（6）通用I/O口（35/39個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）；P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻；（7）ISP （在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；（8）有EEPROM 功能；（9）

30、看門狗；（10）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，外部晶體20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路；（11）共3個(gè)16為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；（12）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；（13）通用異步串行口（UART ），還可用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART ；（14）工作溫度范圍：-40-+85（工業(yè)級(jí)）/0-75（商業(yè)級(jí)）；（15）封裝：LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 本文所選單片機(jī)為此系列中的常用一款：STC89C58RD+，其特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等均與上述介紹

31、相同。其管腳圖如下： 選用STC 單片機(jī)的理由：降低成本，提升性能，原油程序直接使用，硬件無需改動(dòng)。最小應(yīng)用系統(tǒng)： 3.3超聲波流量計(jì)的硬件電路解析本設(shè)計(jì)硬件電路分為六個(gè)部分，分別為：時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2及其外圍電路、電路控制核心單片機(jī)STC89C58RD+、流量測(cè)量控制電路、電源穩(wěn)壓部分、LCM 顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警部分和串口通信部分。時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2的作用是測(cè)量超聲波在順、逆流時(shí)的精確傳播時(shí)間，其精度可以達(dá)到ps 級(jí)，完全滿足本設(shè)計(jì)測(cè)量精度B 級(jí)要求，其測(cè)量開始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)分別由單片機(jī)和測(cè)量控制電路的過零比較器輸出端提供。電路控制核心單片機(jī)STC89C58RD+用于發(fā)出測(cè)

32、量命令，控制TDC-GP2芯片F(xiàn)IRE1或FIRE2端發(fā)出脈沖，并在TDC-GP2時(shí)間測(cè)量結(jié)束時(shí)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出瞬時(shí)流量值，還對(duì)流量值進(jìn)行閾值報(bào)警以及LCM 顯示的控制。流量測(cè)量控制電路用于控制超聲波的順逆流發(fā)射狀態(tài)以及接收超聲波信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行濾波放大處理。它由模擬開關(guān)、過零比較器、異或門和濾波部分組成。通過單片機(jī)對(duì)模擬開關(guān)的使能控制，可以確定超聲波發(fā)射時(shí)的狀態(tài)，即順流狀態(tài)或逆流狀態(tài)；異或門作為兩輸入單輸出的邏輯器件可以保證FIRE1和FIRE2端發(fā)射的脈沖都可以輸入到TDC-GP2芯片的START 端作為測(cè)量開始信號(hào)；濾波部分可以濾除接收到的超聲波信號(hào)的低頻噪

33、聲；過零比較器由放大器組成，將接收到的超聲波信號(hào)輸出為TDC-GP2芯片可以識(shí)別的矩形波脈沖信號(hào)，以此信號(hào)作為測(cè)量結(jié)束信號(hào)輸出給STOP1端。電源穩(wěn)壓部分可以準(zhǔn)確穩(wěn)壓出3.3V 電壓，此電壓可以供給單片機(jī)、TDC-GP2使用。LCM顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警部分屬于本設(shè)計(jì)的輔助部分，它們均由STC89C58RD+控制，分別實(shí)現(xiàn)流量值顯示和報(bào)警功能。串口通信部分用于單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信，本設(shè)計(jì)沒有過多研究，僅在硬件上加以表示。 TDC-GP2芯片的外圍連接電路圖TDC-GP2芯片外接兩個(gè)晶振，其中4MHz 高速晶振用于時(shí)鐘校準(zhǔn)及在測(cè)量范圍2中作為時(shí)間測(cè)量的一部分，32.768MHz 晶振用于內(nèi)部定時(shí)

34、。TDC-GP2芯片的START 引腳用于接收時(shí)間測(cè)量開始脈沖信號(hào)，STOP 引腳用于接收時(shí)間測(cè)量停止信號(hào)。本系統(tǒng)中選用測(cè)量范圍2測(cè)量模式，在測(cè)量范圍2中TDC-GP2芯片只需開通STOP1通道，STOP2與EN_STOP2引腳接地以關(guān)閉STOP2通道。FIRE1與FIRE2引腳用于發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，分別用于激勵(lì)上、下游換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。TDC-GP2芯片的中斷返回引腳INTN 、SPI 總線引腳SSN 、SCK 、SI 、SO 和軟件復(fù)位引腳RSTN 分別與單片機(jī)STC89C58RD+的I/O 引腳相連。FIRE1和FIRE2引腳分別與上下游超聲波換能器相連，通過STC89C58RD+

35、的控制各自發(fā)射高頻脈沖，這兩個(gè)引腳也與測(cè)量控制電路部分相連，由測(cè)量控制電路部分和單片機(jī)協(xié)同控制超聲波在順逆流時(shí)傳播時(shí)間的精確測(cè)量。具體測(cè)量過程在測(cè)量控制部分介紹。本系統(tǒng)的硬件電路中對(duì)TDC-GP2芯片的供電是直流3.3V ，此電壓是由電源穩(wěn)壓模塊提供的，直接穩(wěn)壓出質(zhì)量較高的3.3V 電壓供給芯片使用。 本設(shè)計(jì)選用STC89C58RD+的原因：減低成本、提升性能。原有程序直接使用，硬件無需改動(dòng)。選用LQFP44封裝。其工作電壓為3.3V-5.5V ，本設(shè)計(jì)提供的是直流3.3V 電壓，此電壓也是由電源穩(wěn)壓模塊提供。單片機(jī)STC89C58RD+的主要工作：首先，單片機(jī)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要對(duì)TDC-GP2

36、芯片的參數(shù)進(jìn)行配置以及初始化；之后，單片機(jī)需要控制TDC-GP2的FIRE1和FIRE2引腳在順逆流測(cè)量時(shí)分別發(fā)射高頻脈沖，順逆流狀態(tài)的確定是由模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，而模擬開關(guān)也是由單片機(jī)的I/O口控制，分別在順流和逆流時(shí)進(jìn)行狀態(tài)切換，使TDC-GP2實(shí)現(xiàn)順逆流時(shí)間的測(cè)量；其次，單片機(jī)需要在TDC-GP2芯片接收到STOP 信號(hào)并發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，響應(yīng)過程如下：先從TDC-GP2芯片中讀取出測(cè)量時(shí)間值（順逆流的兩次均需要分別讀?。缓笳{(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，把TDC-GP2測(cè)量出的和代入已經(jīng)編制好的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，由此求取出瞬時(shí)流量值。對(duì)于求取的流量值，單片機(jī)還需要調(diào)用LCM 顯示子程序?qū)ζ溥M(jìn)行顯

37、示，同時(shí)調(diào)用蜂鳴器報(bào)警子程序檢測(cè)流量值是否需要報(bào)警。最后，單片機(jī)還需要做的工作是與上位機(jī)進(jìn)行通信，它可以將流量信息進(jìn)行存儲(chǔ)以備上位機(jī)查詢使用。這一部分屬于擴(kuò)展部分，本設(shè)計(jì)沒有進(jìn)一步研究。 電路圖介紹：U3、U4模擬開關(guān)，控制順逆流狀態(tài)； U5異或門，雙輸入單輸出器件，相當(dāng)于線選，分別使FIRE1、FIRE2引腳的信號(hào)進(jìn)入START 引腳；U6運(yùn)算放大器，構(gòu)成過零比較器，相當(dāng)于放大整形?？刂茰y(cè)量過程：（1）順流狀態(tài)：?jiǎn)纹瑱C(jī)P4.3引腳輸出一高電平信號(hào)控制電子開關(guān)芯片U3處于關(guān)閉狀態(tài)，P3.4引腳輸出一低電平控制電子開關(guān)芯片U4處于開啟狀態(tài)。此時(shí)為使上游探頭處于發(fā)射、下游探頭處于接受狀態(tài)，使單片機(jī)

38、控制TDC-GP2芯片只從FIRE1脈沖輸出端發(fā)出脈沖信號(hào)，該信號(hào)激勵(lì)上游探頭發(fā)射出超聲波信號(hào)，同時(shí)通過U5異或門輸出START 信號(hào)，TDC-GP2接收到START 信號(hào)便開始計(jì)時(shí)。由上游傳播到下游被下游探頭接收到（U4處于開啟狀態(tài)）的超聲波信號(hào)通過U4經(jīng)由RC 濾波（濾除低頻噪聲影響），此處組成的為一階無源高通濾波電路，截止頻率約為0.8MHz 。在經(jīng)過由U6構(gòu)成的過零比較器輸出TDC-GP2可以識(shí)別的方波，輸出給STOP 引腳，TDC-GP2停止計(jì)時(shí)。再有TDC-GP2內(nèi)部算術(shù)邏輯單元計(jì)算出START 和STOP 之間的時(shí)間，即為順流傳播時(shí)間。（2）逆流狀態(tài)：過程與順流狀態(tài)是相同的，只是模擬開關(guān)要反轉(zhuǎn)狀態(tài)，使上游、下游探頭處于逆流狀態(tài)，單片機(jī)控制使FIRE2發(fā)射高頻脈沖。經(jīng)過一系列過程得到逆流傳播時(shí)間。由單片機(jī)分別取出兩次測(cè)量數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序計(jì)算出流量，再調(diào)用LCM 顯示子程序及蜂鳴器報(bào)警子程序，完成既定功能。 ASM1為3.3V 穩(wěn)壓器，此部分可以得到穩(wěn)定的3.3V 電壓，供給TDC-GP2和STC89C51RD+使用。此部分相當(dāng)于本設(shè)計(jì)的電源模塊。 本設(shè)計(jì)采用的是14 位8 段微功耗液晶顯示模塊LCM141C-01。LCM141C-01 為14 位8 字加