AAAA第一章緒論流量計(jì)的發(fā)展概述自古以來測(cè)量都是人類文明的一種標(biāo)志，是計(jì)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(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)。早在公元前1000年埃及人就開始利用堰法測(cè)量尼羅河的流量來預(yù)報(bào)年成的好壞，古羅馬人則在修渠飲水中采用孔板測(cè)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(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)表了研究成果；1886年，美國人赫謝爾用文丘里管制成測(cè)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(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。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，流量計(jì)量日益受到重視，流量?jī)x表隨之迅速發(fā)展起來，測(cè)量?jī)x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(jì)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(dòng)化，管道化的發(fā)展，流量?jī)x表在整個(gè)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?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)的15-30％。但是，由于流量測(cè)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(jì)量提出更新更高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì)量技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究解決。目前主要存在如下問題：流量?jī)x表的品種、規(guī)格、準(zhǔn)確度和可靠性尚不能滿足生產(chǎn)要求，特別對(duì)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(cè)量手段。我國開展近代流量測(cè)量的技術(shù)比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30了新城儀表廠所開發(fā)的文丘里管差壓流量計(jì)， 60年代渦輪、電磁流量計(jì)的生產(chǎn)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。超聲波流量計(jì)的概述超 聲 波 流 量 計(jì) 的 發(fā) 展 和 現(xiàn) 狀超聲波流量計(jì)（簡(jiǎn)稱 USF）是利用超聲波在流體中的傳播特性來測(cè)量流量計(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。1931年，O.Rutten 發(fā)表的德國專利是關(guān)于利用聲波測(cè)量管道流體流量最的參考文獻(xiàn)。但是要使超聲波流量計(jì)具有一定的精度，要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度至少達(dá)到107秒，這在當(dāng)時(shí)是很難達(dá)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(shí)差擴(kuò)大在進(jìn)行測(cè)量，這種方法彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的不足，使得時(shí)間測(cè)量精度得以大大提高。 1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法MAXSON 流量計(jì)在美國研制成功，并用于航空燃料油流量的測(cè)量，標(biāo)志著超聲波流量計(jì)已經(jīng)由理論研究階段進(jìn)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(jì)。進(jìn)入20世紀(jì)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(shí)間測(cè)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(jì)的可靠性提供了基本的保證，同時(shí)為了消除聲速變化對(duì)測(cè)量精度超聲流量計(jì)的主要方案，但是仍無法保障小管徑小流量測(cè)量時(shí)的精度。同一時(shí)道內(nèi)流體流動(dòng)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(jì)算公了波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。當(dāng)今全世界50多家較大的超聲波流量計(jì)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(jì)的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(shì)，使得它們?cè)趪H超聲波流量計(jì)市場(chǎng)上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。我國超聲波流量計(jì)的研究起步較晚，目前我國超聲波流量計(jì)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(jì)生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進(jìn)入我國的市場(chǎng)，也帶動(dòng)了國內(nèi)超聲流量測(cè)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(jìn)水平有較大差距，在國內(nèi)市場(chǎng)中，高精度的超聲波流量計(jì)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(jìn)口的局面。超 聲 波 流 量 計(jì) 的 特 點(diǎn)超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量測(cè)量?jī)x表，相對(duì)于傳統(tǒng)流量計(jì)而言，它主要具有一下特點(diǎn)：①可作非接觸測(cè)量。夾裝式超聲波流量計(jì)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(dòng)阻撓測(cè)量，無額外壓力損失，這是超聲波流量計(jì)在工業(yè)用流量?jī)x表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。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。本課題內(nèi)容流量計(jì)本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場(chǎng)合等?，F(xiàn)有國有的大多數(shù)超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比外國的便宜，但總體性能較差；而國外的超聲波流量計(jì)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(jià)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(duì)超聲波流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和提高，使超聲波流量計(jì)性能更加穩(wěn)定，總體性能接近或者達(dá)到國際先進(jìn)水平，以便在國內(nèi)推廣和使用?；陔y度和可實(shí)現(xiàn)性，本文采用時(shí)差法為研究課題，在綜合吸收國內(nèi)外先進(jìn)的超聲波流量測(cè)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(shí)差法測(cè)流量原理研究，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，利用改進(jìn)型算法避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。② 正；③設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制測(cè)量電路，包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號(hào)整形電路及系統(tǒng)控制電路等，并根據(jù)儀器本身的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)一步增強(qiáng)儀器的運(yùn)行穩(wěn)定性；第二章時(shí)差法超聲波流量計(jì)的理論研究流量的基本概念用單位時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)，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(qiáng)度。因此，要準(zhǔn)確地檢測(cè)到超聲信號(hào)并非易事，在投入設(shè)計(jì)前要對(duì)超聲波及相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行介紹。超聲波的傳播特性超聲波通常指頻率高于20KHz播。因?yàn)楸菊n題主要是研究針對(duì)供水行業(yè)的超聲波流量計(jì)，所以我們只以水為介質(zhì)進(jìn)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(dāng)0≤T≤35℃，0≤S≤45‰，0≤h≤1000m時(shí)，水中聲速可用下式計(jì)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(shí)，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?yàn)橐环矫?，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(huì)不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對(duì)超聲波來說就是有一部分能量被吸收了，通常認(rèn)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(shí)，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(jìn)，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進(jìn)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(huì)向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)中最常遇到的散射衰減情況是由大量的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的散射粒子所引起的，通?？烧J(rèn)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(shí)會(huì)不斷衰減，甚至?xí)辉肼曆蜎]。在設(shè)計(jì)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(jì)的實(shí)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(jì)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(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計(jì)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(shí)，壓電晶體組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱運(yùn)動(dòng)。壓電組件振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為 (1～10)m，但這種振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)量，若這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)諧振子振動(dòng)，并推動(dòng)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(gè)電壓源和一個(gè)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(cè)量?jī)x器連接時(shí)，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(duì)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(cè)試精度的要輸入阻抗，否則換能器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)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(gè)探頭的性能是不同的，其主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率 f0

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

：超聲波換能器的機(jī)械能和電磁能相互轉(zhuǎn)換過程，就是機(jī)電耦合過程。最早給出定義的梅森將機(jī)電耦合系數(shù)定義為貯存的機(jī)械能量Kt 從電源取得的總能量但是，定義機(jī)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(jī)械能與它的形狀和振動(dòng)方式有關(guān)。因此不同形狀和振動(dòng)方式所對(duì)應(yīng)的機(jī)電耦合系數(shù)也不同。機(jī)電耦合系數(shù)為無量綱單位。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。QQ換能器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù) :QQm m

是從電學(xué)中應(yīng)用到機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中來的一個(gè)重要物理量，它與標(biāo)稱寬帶 f密切相關(guān)，即與換能器的機(jī)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(jí)電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負(fù)載（或接收聲負(fù)載）匹配。聲波波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，它發(fā)射聲能是集中在某些方向上的，即具有一定的擴(kuò)散角。sin11.22D式中，為超聲波波長(zhǎng)，D為換能器直徑，所以頻率越高，擴(kuò)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(shí)間波形，獲得極高的縱向分辨率。動(dòng)阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時(shí)，為了保證聲能損失小、方向性強(qiáng)，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(jī)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(jìn)行雙向收發(fā) 一定程度上減小了測(cè)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(dòng) 信 號(hào) 對(duì) 其 工 特 性 的 影 響任何一個(gè)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(dòng)信號(hào)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(hào)及連續(xù)脈沖信號(hào)作為換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的主要性能參數(shù)為脈沖寬度與脈沖幅度，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于縮小盲區(qū)，提高探測(cè)精度有重要意義。無論什么驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時(shí)，可使換能器輸出的信噪比最高。當(dāng)脈沖為單脈沖信號(hào)時(shí)，由于檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量周期往往遠(yuǎn)大于脈沖寬度，因此，我們可以認(rèn)為前后兩個(gè)測(cè)量周期之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相互之間沒有影響，從而可以僅僅對(duì)單一脈沖信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)圖 6(a)所示脈沖信號(hào)進(jìn)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(hào)應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號(hào)最強(qiáng)；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會(huì)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(hào)寬度。圖6脈沖信號(hào)及其幅頻特性時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理時(shí)差法超聲波流量計(jì)就是利用聲波在流體中順流、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)流體的流動(dòng)速度有關(guān)系，因此測(cè)出時(shí)間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計(jì)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(duì)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(hào)在被測(cè)流體中的聲速為 C，超聲波順流時(shí)從 A到B的時(shí)間為t，逆流時(shí)從BAt1

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

dcos Cvsin dcos Cvsin 0tt2

2dvtgC2v2sin2在一般工業(yè)測(cè)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(shí)間差ttt2 1

可化簡(jiǎn)為:ttt2 1

2dvtgC2因此，時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本方程可以寫為：C2Cv t2dtgQd2v4提高測(cè)量超聲波傳播時(shí)間精度的方法由上節(jié)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理我們可以看到，時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度與超聲波傳播時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量密切相關(guān)。只有在既能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量傳播時(shí)間又能有效地對(duì)順、逆流傳播時(shí)差進(jìn)行計(jì)算的前提下，才談得上測(cè)量精度。但是，在錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，接收的信號(hào)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(hào)成為準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的主要障礙。因此，如何確保超聲測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計(jì)算時(shí)差成為時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的關(guān)鍵，為此人們常在測(cè)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(dāng)接收信號(hào)高于閾值時(shí)，即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，一般采集信號(hào)的第2個(gè)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(dāng)作第二個(gè)波形處理；或者當(dāng)?shù)谌齻€(gè)波形來到時(shí)才高出閾值電壓而被采集，這樣會(huì)嚴(yán)重影響流量計(jì)的精度；實(shí)際采集信號(hào)時(shí)，常常是選取波形上升沿的某個(gè)位置，如圖 7所示，這樣際采樣點(diǎn)與信號(hào)達(dá)到時(shí)刻相差不是一個(gè)整周期，這樣即便是減去一個(gè)周期的時(shí)間，測(cè)量值還是存在明顯的誤差，尤其是頻率比較低時(shí)上升沿的坡度變得緩慢，誤差也會(huì)隨之加大；由于閾值選定，就對(duì)信號(hào)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(dāng)電路受到外界環(huán)境的影響（比如溫度變化等）生變化時(shí)，直接影響檢測(cè)的波形，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。設(shè) 置 接 收 窗 口發(fā)射超聲波脈沖起至接收到第一個(gè)波為止的時(shí)間間隔內(nèi)，由于接收門一直敞開著，外界各種干擾信號(hào)都很容易侵入，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性?？朔吮撞〉淖钣行Х椒ㄊ窃O(shè)置一個(gè)能跟蹤目標(biāo)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(hào)的侵入。但設(shè)計(jì)此窗口寬度時(shí)，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(duì)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(cè)量中，傳播時(shí)間只有幾百μ s，用一般計(jì)時(shí)脈沖（如 1MHz）來計(jì)時(shí)是不能滿足要求的。為了達(dá)到 1ns的分辨率，往往需要 1000MHz計(jì)時(shí)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(shí)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(gè)電壓控制振蕩器 VCO，同步信號(hào)發(fā)生器使發(fā)射器激勵(lì)換能器，發(fā)射超聲波脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù) VCO頻率，在時(shí)間差檢測(cè)回路中，計(jì)數(shù)終了信號(hào) N/f與超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間進(jìn)行比較，時(shí)間差信號(hào)被變換成電壓后去調(diào)節(jié) VCO。在閉合回路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，時(shí)間差信號(hào)為零， t=N/f。這樣的調(diào)節(jié)每秒可以進(jìn)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(dòng)增益控制利用自動(dòng)增益放大控制電路，在每次測(cè)量結(jié)束后，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)接收機(jī)增益。若檢測(cè)到噪聲或輸入信號(hào)太強(qiáng)則調(diào)小增益，如果輸入信號(hào)太弱且噪聲級(jí)很低則調(diào)大增益，儀器將新的自動(dòng)增益設(shè)置值作為在下一次測(cè)量中的增益初始值。自動(dòng)增益控制電路保證了每次檢測(cè)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(dāng)接收波形變化時(shí)，改變觸發(fā)電平，自動(dòng)選擇最佳觸發(fā)電平來檢測(cè)時(shí)間。如圖 9所示，通常以L電平檢測(cè)時(shí)間（見實(shí)線部分 ，在稍許高的電平上預(yù)設(shè) H電平，當(dāng)波形變化時(shí)（見虛線部分，若繼續(xù)在L電平上觸發(fā)，就會(huì)引起誤觸發(fā)，產(chǎn)生時(shí)間檢測(cè)誤差。此時(shí)H與第三個(gè)波元時(shí)間差的時(shí)間補(bǔ)償，測(cè)得傳播時(shí)間的絕對(duì)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(cè)回路、觸發(fā)選擇回路和延遲時(shí)間補(bǔ)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(jì)的修正流 速 的 修 正在上文討論的時(shí)差法超聲波流量計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)際上是超聲波信號(hào)穿過流體所測(cè)得的沿超聲波傳播路徑上的線平均流d速，用它進(jìn)行流量計(jì)算勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生誤差，所以要保證測(cè)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(duì)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(dòng)的兩種狀態(tài)。流速較低或管壁粘性較大時(shí)，流體流動(dòng)的狀態(tài)是平滑的層狀流動(dòng)，主要是軸向的運(yùn)動(dòng)；流速較高或管壁粘性小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)呈雜亂不規(guī)則的流動(dòng)，即紊流，此時(shí)管內(nèi)流體的流動(dòng)不僅有軸向的還有橫向的。兩種不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)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(duì)數(shù)曲線對(duì)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(jì)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(dòng)狀態(tài)的一個(gè)判斷依據(jù)，一般認(rèn)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(jì)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(yùn)動(dòng)粘度，為流體的密度。當(dāng) Re<2300 時(shí)，流體流動(dòng)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(dāng) Re>2300 時(shí)，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(shí)流量修正系數(shù)為：K43絮流時(shí)流量修正系數(shù)為：2n1K2n折 射 角 的 修 正夾裝式超聲波流量計(jì)除了做流速分布修正外，必要時(shí)還要對(duì) 角進(jìn)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(duì)角進(jìn)行自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，以達(dá)到溫度補(bǔ)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(cè)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?yàn)橐话愎逃胁牧系穆曀僮兓纫后w聲速溫度變化小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在溫度變化不大的條件下對(duì)測(cè)量精確度的影響可以忽略不計(jì)但在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫?fù)Q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(jìn)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(cè)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(duì)進(jìn)行修正了。第三章 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的總體設(shè)計(jì)本課題研究的超聲波流量計(jì)是采用時(shí)差法測(cè)量原理來進(jìn)行流量檢測(cè)的。通過查閱國內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)，分析國內(nèi)外的各種產(chǎn)品，確定實(shí)現(xiàn)具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的流量測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的時(shí)差法超聲波流量計(jì)要求具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、成本低及可靠性高等特點(diǎn)。換能器的安裝對(duì)于時(shí)差法超聲波流量計(jì)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(cè)量準(zhǔn)確度就越高，但是換能器安裝在管道軸向中心一方面會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂流場(chǎng)的分布，另一方面其測(cè)量的流體流速不具有整個(gè)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(shí)間不易測(cè)量，會(huì)限制流量計(jì)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(kuò)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(jì)。所以，在本設(shè)計(jì)中，我們的換能器將采用單通道（即只采用一對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)測(cè)量的干擾。測(cè)量原理3.3.1聲 學(xué) 原 理如第二章第三節(jié)所述，當(dāng)管道中以速度 V流動(dòng)時(shí)，超聲波信號(hào)在流體中的順、逆流傳播時(shí)間分別為 t1

t，那么對(duì)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(jìn)行流量計(jì)算勢(shì)必會(huì)造成比較大的誤差，因此，可以采用改進(jìn)型時(shí)差法，利用數(shù)學(xué)變換將影響測(cè)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(xiàng)，因此，改進(jìn)后時(shí)差法公式消除了 C對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測(cè)量精度。圖12 基本聲學(xué)原理圖3.2.2 測(cè) 時(shí) 原 理由第二章第四節(jié)的分析， 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的精度與所檢測(cè)到的傳播時(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān),采用可靠的傳播時(shí)間測(cè)量方法是確保時(shí)差法超聲波流量測(cè)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(shí)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(duì)時(shí)間參量要求的精度就越大，也就說管徑越小就越難以測(cè)量。根據(jù)課題的要求以及計(jì)算的方便我們所測(cè)管徑的最小值為d=0.05m；假設(shè)此時(shí)超聲波在靜止的水中的速度為 1450m/s；發(fā)射角θ為。當(dāng)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(shí)間差 t 僅為95ns左右，如果要求系統(tǒng)測(cè)量精度為 1％，則測(cè)量分辨率至少應(yīng)達(dá)到 1ns，那么就需要采用 1000MHz的鐘脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)時(shí)，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(shí)鐘電路和計(jì)數(shù)電路都難以實(shí)現(xiàn)，可見極力去精確測(cè)量單個(gè)納秒級(jí)的時(shí)差是不現(xiàn)實(shí)的，為了解決這個(gè)難題，我們采用多脈沖法作為本課題的測(cè)時(shí)方法。多脈沖測(cè)量方法是進(jìn)入九十年代以來，國外生產(chǎn)廠家首先采用的一種測(cè)時(shí)方法，美國康創(chuàng)公司推出的 UNIFLOW流量計(jì)以及最近我國深圳晨光科技實(shí)業(yè)有限公司在引進(jìn)德國技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的 ZCL-15系列時(shí)差法流量計(jì)均采用了多脈沖法但多脈沖僅僅作為一個(gè)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(duì)以往人們常用的超聲波測(cè)時(shí)方法的分析，結(jié)合微處理器的特點(diǎn)，對(duì)超聲波時(shí)差流量測(cè)量的多脈沖測(cè)量方法進(jìn)行了較深入的研究。多脈沖測(cè)量方法不僅能有效的濾除干擾信號(hào)獲得可靠的超聲波傳播時(shí)間，而且能在流量測(cè)量過程中結(jié)合多脈沖測(cè)量方法的特點(diǎn)，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)理論對(duì)測(cè)量時(shí)差做出了合理估計(jì)，從而確保了流量測(cè)量的精度。所謂多脈沖測(cè)量方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過程，對(duì)某一物理量進(jìn)行測(cè)量的方法其工作示意圖見圖 13，首先使一個(gè)超聲波換能器

作為發(fā)射探1頭，另一個(gè)換能器作接收探頭，如圖 13（a）所示，然后將觸發(fā)信號(hào)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(hào)，2接收的電信號(hào)經(jīng)放大、整形處理后又代替觸發(fā)信號(hào)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(shí)間為 t，它s包含N次固有延遲時(shí)間(i)，（i＝1，2，3…N）之和以及N個(gè)超聲波在水中單次順流傳播時(shí)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(hào)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(shí)間 t包含N次固有延遲,(i)n之和以及N個(gè)超聲波在水中單次逆流傳播時(shí)間 t2

之和，即：tNni1

,(i)Nt2

（3—11）當(dāng)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(shí)，只要 N足夠大，由于統(tǒng)計(jì)效應(yīng)的出現(xiàn)，述兩次聲循環(huán)的延時(shí)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(shí)間差 t 不用再去測(cè)量難以準(zhǔn)確計(jì)量的微小時(shí)間 t1、t 而是改測(cè)相對(duì)足夠大的時(shí)間 t2，

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

t進(jìn)行的側(cè)n量，時(shí)間差t

的準(zhǔn)確測(cè)量就變得容易。下面從數(shù)理統(tǒng)計(jì)上對(duì)單脈沖和多脈沖方法進(jìn)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(shí)間為ε，計(jì)數(shù)器引起的時(shí)間誤為，隨機(jī)噪聲引起的誤差為 （滿足正態(tài)分布 ；理想情況下一個(gè)脈沖由發(fā)射到接收的時(shí)間為 t真；而實(shí)際中單脈沖由發(fā)射到接收的時(shí)間為 t，多脈沖由發(fā)射到接收的時(shí)間為t,，對(duì)于多脈沖每個(gè)脈沖到達(dá)的時(shí)刻為 ti，i接收的時(shí)間為t,（i=1,2,3n對(duì)于單脈沖：i

則每個(gè)脈沖由發(fā)射到對(duì)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(gè)脈沖周期的時(shí)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(shí)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(gè)脈沖激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波到接收的時(shí)間，那么對(duì)于脈沖串送給單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理的傳播時(shí)間可用這 n 個(gè)脈沖的傳播時(shí)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(duì)于任意一個(gè)單脈沖： tt真

t

，相比，只是誤差項(xiàng)不同，多脈沖誤差為 n項(xiàng)求和取平均值，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論可知，測(cè)量值 t，要明顯優(yōu)越于t，所以多脈沖法相對(duì)其他方法有其優(yōu)越性，能減小誤差從而保證傳播時(shí)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(shí)差法測(cè)量的基本原理和時(shí)差信號(hào)小的特點(diǎn)，本課題研究的時(shí)差法超聲波流量計(jì)主要由兩部分組成：時(shí)差信號(hào)采集部分和信號(hào)處理及人機(jī)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(jìn)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(shí)間的測(cè)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(jì)數(shù)控制電路等組成；信號(hào)處理及人機(jī)接口部分也是一單片機(jī) 89C51為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、流量的算還有人機(jī)接口服務(wù)，包括鍵盤、 LED顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。其系統(tǒng)框圖如圖 15示：LED主單片機(jī)時(shí)鐘計(jì)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(xì)介紹。這里大致介紹一下系統(tǒng)的工作過程：?jiǎn)纹瑱C(jī)脈沖聲循環(huán)。當(dāng)完成所定的多脈沖個(gè)數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，關(guān)斷高頻方實(shí)際情況計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲(chǔ)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(jiǎn)稱探頭）是超聲波流量計(jì)的重要組成部分，是利用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量測(cè)量的關(guān)鍵，它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)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(shí)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(cè)量時(shí)，超聲波頻率范圍一般為 0.5MHz～2MHz。超聲波的頻率越高，聲束擴(kuò)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(jì)時(shí)精度，應(yīng)當(dāng)選高頻率的探頭；但是對(duì)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(huì)增加電路設(shè)計(jì)的困難。入射角：這個(gè)角度決定了超聲波換能器的安裝位置。由于超聲波入射時(shí)在管壁及流體界面處都會(huì)發(fā)生折射，會(huì)轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播，為提高探頭接收信號(hào)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(jī)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(qiáng)度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強(qiáng)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(cè)量精度。綜合以上因素，在本設(shè)計(jì)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(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個(gè)，通過繼電器進(jìn)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(duì)稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過使用單獨(dú)的繼電器分別對(duì)發(fā)射和接收換能器進(jìn)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(hào)對(duì)接收的影響。超聲波發(fā)射電路接收信號(hào)的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號(hào),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(jí)信號(hào)接收電路至關(guān)重要，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和精度。超聲波測(cè)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(lì)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(jìn)口的日本超聲波流量計(jì)來看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路。這種電路在設(shè)計(jì)上一般是用一個(gè)極快速的電子開關(guān)通過對(duì)儲(chǔ)能元件的放電來實(shí)現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘管或大功率場(chǎng)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(qiáng)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(hào)，效率高。在本設(shè)計(jì)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(jī)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)三極管放大和壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動(dòng)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(fù)載（超聲換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵(lì)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(hào)后，信號(hào)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(qiáng)度不斷減小，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，在信號(hào)到達(dá)檢測(cè)電路前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號(hào)的實(shí)際情況，我們對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動(dòng)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(hào)是非常小的，只有幾毫伏，而一般ADC需要采樣的信號(hào)的幅值為 5V，所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。放大電路采用三級(jí)放大，第一級(jí)和第三級(jí)放大采用固定增益放大，完成信號(hào)的基準(zhǔn)放大，第二級(jí)采用具有程控增益調(diào)整功能的芯片 AD603來實(shí)現(xiàn)，這樣當(dāng)?shù)谝患?jí)和第三級(jí)確定后，以通過調(diào)節(jié) AD603 控制端的電壓來調(diào)節(jié)整個(gè)放大電路的增益，使輸出信號(hào)達(dá)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(duì)超聲波換能器的接收信號(hào)進(jìn)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(yùn)算放大器LF357，它采用 JFET組成差分輸入級(jí)，其輸入阻抗高達(dá) 1012Ω。在設(shè)計(jì)中，fLF357采用同相放大接法，這級(jí)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(jì)測(cè)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(hào)的幅值會(huì)有很大的不同（幾毫伏～幾百毫伏）理是將放大后接收信號(hào)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(jì)也較為復(fù)雜，而且其跳躍性的放大倍數(shù)可能會(huì)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(dòng)增益放大器。 是一個(gè)低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)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(shí)的帶寬為90Mhz，增益在+9～+41dB時(shí)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(dòng)增益放大器、視頻增益控制、 A/D轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)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(fù)電壓增大增益 管腳3：VINP 運(yùn)放輸入端管腳4：COMM 運(yùn)放接地端管腳5：FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端管腳6：VENG 負(fù)供電電源端；管腳7：VOUT 運(yùn)放輸出端；管腳8：VPOS 正供電電源端20AD603的簡(jiǎn)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(hào)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(dá) 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(gè)可從 0dB到-42.14dB變化的衰減器組成，這個(gè)衰減器與固定增益放大器中的固定增益運(yùn)放相連，由于該衰減器的存在，即使有大的輸入，固定增益運(yùn)放也不會(huì)受到?jīng)_擊，而且還可以與運(yùn)放構(gòu)成負(fù)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(gè)節(jié)點(diǎn)依次衰減 6.021dB，如圖從0dB到-42.14dB。其衰減的程度受當(dāng) V的控G制。當(dāng)VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時(shí)，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(shí)，AD603的增益為40VG

+10，這時(shí)的增益范圍在-10～+30dB；當(dāng)腳5和腳7斷開時(shí)，其增益為 40VG

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

V時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)0dB范圍的變換，通過 PWM反饋和固定電壓0.5V的差動(dòng)輸入，達(dá)到動(dòng)增益調(diào)節(jié)的目的。③ 第三級(jí)放大電路末級(jí)放大電路的作用是將第二級(jí)放大輸出的信號(hào)進(jìn)一步放大，以滿足信號(hào)檢測(cè)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(dá)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(hào)中，往往會(huì)摻雜一些干擾信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能將這些干擾信號(hào)除去。但是要完全把干擾信號(hào)除掉是不可能的，我們只能將這些干擾信號(hào)盡可能減小。因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為 1MHz，由運(yùn)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(gè)頻率附近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價(jià)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(jí)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(gè)形成 T型網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。接收范圍門上，影響接收信號(hào)的接收。所以可以采用范圍門防止發(fā)射脈沖對(duì)接收信號(hào)的干擾。在設(shè)計(jì)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(hào)預(yù)期最早和最晚到達(dá)時(shí)間設(shè)置一個(gè)接收范圍門。首先，根據(jù)聲路長(zhǎng)度來估計(jì)一個(gè)脈沖最早和最晚可能到達(dá)的時(shí)刻，在最早時(shí)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(dòng)作帶來的干擾；然后，通過設(shè)置軟件延時(shí)，在最晚到達(dá)時(shí)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(jī)的 I/O口控制來實(shí)現(xiàn)。采樣保持電路超聲波接收信號(hào)經(jīng)過放大和濾波后，進(jìn)入采樣保持電路。采樣保持電路對(duì)接收到的超聲波信號(hào)的第一個(gè)峰值進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供控制單元進(jìn)行增益控制，保證測(cè)量的準(zhǔn)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(hào)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(gè)模擬輸入通道，內(nèi)部固有的采樣與保持，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。 TLC1543有三個(gè)輸入端和一個(gè)三態(tài)輸出端，即片選 (CS)、輸入/輸出時(shí)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(gè)直接的 4線接口，從而可以實(shí)現(xiàn)與微處理器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)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(cè)量時(shí)的控制電壓參數(shù)值。在每次進(jìn)行測(cè)量之前，應(yīng)該先根據(jù)上一次 A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)得的電壓值 (第一可以給出一個(gè)初始值 )來調(diào)節(jié)第二級(jí)放大器增益控制端的電壓。這個(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jiǎn)單，用單 5V電源工作，功耗低，具有上電復(fù)位功能以確?？芍貜?fù)啟動(dòng)。器件的更新頻率可以達(dá)到 1.2MHZ，典型建立時(shí)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(cè)得的電壓值計(jì)算出本次測(cè)量時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)該補(bǔ)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(gè)電壓經(jīng)過電阻分壓后在運(yùn)算放大器的同相端產(chǎn)生一個(gè)電壓，再經(jīng)過運(yùn)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(hào)的到達(dá)時(shí)刻是整個(gè)電路中一個(gè)很關(guān)鍵的地方，它直接影響到超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度。在這里，我們采用了電壓比較電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，利用設(shè)置一個(gè)有效信號(hào)檢測(cè)門檻對(duì)信號(hào)的過零點(diǎn)、處進(jìn)行檢測(cè)。電路主要由高精度的過零比較器MAX913器MAX902+0.2V和-0.2V信號(hào)，這三個(gè)輸出信號(hào)最后都送到單片機(jī)進(jìn)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(gè)超聲波探頭和發(fā)射、接收電路的切換的。作為對(duì)模擬信號(hào)的切換，可以有以下兩個(gè)方案：①換的雙方是接收到的微弱的超聲信號(hào)和用于發(fā)射的高壓信號(hào)，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)失真較小的芯片；②存在信號(hào)失真的現(xiàn)象，并且還能完成信號(hào)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(shí)選用了繼電器方案，選擇 2個(gè)直流電壓控制的固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)換能器的發(fā)射、接收轉(zhuǎn)換。在實(shí)際電路中，我們采用了 74LS138來從單片機(jī)送達(dá)的控制信號(hào)進(jìn)行譯碼，決定該接通哪一個(gè)繼電器。例如，如果接通繼電器1，因?yàn)槔^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(shí)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行操作。信號(hào)采集及控制電路單片機(jī)的選擇測(cè)量模塊的各部分協(xié)調(diào)工作，處理測(cè)量信息和各部分的狀態(tài)信息。本設(shè)計(jì)采用的89C5189C514K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中 ATMEL的89C51是一種高效微控制器， 89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。 89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要有以下顯著特點(diǎn) ：4KB可改編程序FLASH存儲(chǔ)器，可經(jīng)受 1000 次的寫入/擦寫；·全靜態(tài)工作： 0Hz～24MHz；3級(jí)程序存儲(chǔ)器保密；1288RAM；32 I/O線；2個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；·可編程串行通道；·片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。電路設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)電路的工作時(shí)序并從鎖存單元讀取計(jì)數(shù)值。具體電路如圖25所示，單片機(jī)的P1.0口發(fā)出低電平方波，可控制觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器以及分頻計(jì)數(shù)器的復(fù)位、清零，并使關(guān)閉。 P1.1輸出一個(gè)短時(shí)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(shí)觸發(fā)觸發(fā)電路，于是計(jì)數(shù)電路開始對(duì)晶振電路輸出的高頻方波計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉觸發(fā)器，計(jì)數(shù)電路停止計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值所存到 中，然后單片機(jī)通過P0口將所存值入，就可根據(jù)上位機(jī)的操作做相應(yīng)處理。信號(hào)處理及人機(jī)接口電路信號(hào)處理和人機(jī)接口電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和整個(gè)流量計(jì)的控制，它有單片機(jī)89C51外加輔助設(shè)備組成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路超聲波流量計(jì)作為儀表，必須需要及時(shí)的對(duì)測(cè)量結(jié)果流量或者流速的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，還要存儲(chǔ)流量計(jì)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(jì)算公式等?？紤]到存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)空間、存取速度、接口上的要求，我們選用Flash存儲(chǔ)器AT29C010A芯片作為本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器。圖25控制計(jì)數(shù)部分示意圖容量、小扇區(qū)，操作速度快，電路設(shè)計(jì)靈活，無需在數(shù)據(jù)寫入前進(jìn)行預(yù)擦除等優(yōu)點(diǎn)。它的存儲(chǔ)容量為 128KB，共有1024個(gè)扇區(qū)（每個(gè)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(jìn)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(shí)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(chǔ)器與單片機(jī)的硬件接口電路圖如圖 26所示，用AT89C52的口作為存儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)思想，在使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量前需要設(shè)定一定的參數(shù)，這就需要一個(gè)鍵盤陣列來實(shí)現(xiàn)這種人機(jī)對(duì)話的功能。連接原理圖如下圖 27示：圖27按鍵顯示電路時(shí) 鐘 電 路DS12887是美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司最新推出的時(shí)鐘芯片，采用 CMOS技術(shù)制成，把時(shí)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(shí)它與目前IBMAT計(jì)算機(jī)常用的時(shí)鐘芯片 MC146818B和DS1287管腳兼容，可直接替換。采用DS12887芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路勿需任何外圍電路并具有良好的微機(jī)接口 芯片具有微軾耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘場(chǎng)合中。其主要功能如下：內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電情況運(yùn)行十年以上不丟失數(shù)據(jù)。計(jì)秒、分、時(shí)、天、星期、日、月、年，并有閏年補(bǔ)償功能。二進(jìn)制數(shù)碼或BCD12小時(shí)或24小時(shí)制，12小時(shí)時(shí)鐘模式帶有 PWM和AM指導(dǎo)，有夏令時(shí)功能。(5）MOTOROLA5INATAEL有128個(gè)RAM單元與軟件音響器，其中 14個(gè)作為字節(jié)時(shí)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(hù)功能。可編程方波信號(hào)輸出。中斷信號(hào)輸出(IRQ)期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)際使用中，為了和 89C52單片機(jī)統(tǒng)一，我們將 MOT管腳接地用于選擇INTE時(shí)序，時(shí)鐘的片選信號(hào)接 89C52的P1.3。其與主單片機(jī)的接口電路如圖 28所示。與 PC 機(jī) 通 訊 接 口考慮到大部分計(jì)算機(jī)只有 RS－232接口，所以我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè) RS－232接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。計(jì)算機(jī)的串行口通常采用一個(gè) 25針或9針的D連接器，在本設(shè)計(jì)中我們選用了 9針型的D型連接器，如圖29所示：圖28 實(shí)時(shí)時(shí)鐘與單片機(jī)接口原理圖圖29 9針D型連接器要進(jìn)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(jī)提供的電平是TTL的，而計(jì)算機(jī)提供的是RS232電平，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，必須對(duì)它們進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可用MAX232芯片來實(shí)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(jì)超聲波流量測(cè)量的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)的正確識(shí)別， 然而超聲波流量計(jì)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(duì)于 測(cè)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(huì)影響程序計(jì)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(cè)量系統(tǒng)中，造成干擾的干擾源有很多種，主要有：①流量計(jì)安裝環(huán)境中可能存在的較大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾；②靠近水泵安裝時(shí)水泵帶來的接近于超聲波信號(hào)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(gè)頻率對(duì)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(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。發(fā)射信號(hào)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(huì)波及接收波的波形，從而嚴(yán)重影響接收信號(hào)；抗干擾的措施對(duì)于本課題設(shè)計(jì)的流量計(jì)，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(gè)10～100μF的電解電容和一個(gè)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(huì)大大減??；②接收范圍門。接收范圍門可以防止發(fā)射信號(hào)以及開關(guān)動(dòng)作給接收信號(hào)來 的干擾；③自動(dòng)增益技術(shù)。自動(dòng)增益技術(shù)除了使信號(hào)便于測(cè)量外，還可以有效地制 噪聲干擾；④看門狗電路。程序在運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_導(dǎo)致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán) ，此時(shí)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(dòng)運(yùn)行。本系統(tǒng)采用X5045X5045Xicor電壓監(jiān)控、把關(guān)定時(shí)器和串行EEPROM三項(xiàng)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(shí)鐘輸入為EEPROM寫保護(hù)輸入；RESET為復(fù)位信號(hào)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(duì)芯片進(jìn)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(shí)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(shí)器和電壓監(jiān)視器都對(duì)單片機(jī)提供獨(dú)立的保護(hù)。當(dāng)電源電壓降到 以下時(shí)，RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)，并一直保持到電源電壓恢復(fù)正常；當(dāng)系統(tǒng)上電或掉電時(shí)， RESET引腳也自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只要把關(guān)定時(shí)器達(dá)到其可編程的超時(shí)極限， RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù) 200ms的高電平復(fù)位信號(hào)。這樣，就可有效地防止死機(jī)、數(shù)據(jù)誤寫及誤操作等故障的發(fā)生。其與單片機(jī)的連接如圖 32所示：⑤合理的布線技術(shù)。模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線相對(duì)分開，信號(hào)線與電源線分 開；PCB布線時(shí)，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(zhǎng)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?cè)谝稽c(diǎn)相連；兩個(gè)探頭各自使相 互獨(dú)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(yùn)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(jī)殼將測(cè)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(jì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)是軟件和硬件共同組成的，硬件是功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而軟件則是通過硬件最終實(shí)現(xiàn)全部功能的橋梁。本超聲波流量計(jì)的整個(gè)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(jì)算和補(bǔ)償、測(cè)量結(jié)果的顯示和存儲(chǔ)以及與計(jì)算機(jī)的通訊；另一部分主要完成測(cè)量電路的控制、傳播時(shí)間的測(cè)量、和傳輸?shù)?。為了便于軟件的調(diào)試及今后的功能擴(kuò)展，我們采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章將簡(jiǎn)要介紹整個(gè)系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)，并著重介紹時(shí)間測(cè)量部分的多脈沖測(cè)量原理的算法實(shí)現(xiàn)。主程序主程序主程結(jié)束系統(tǒng)主流程圖首先對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行初始化，然后開始啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元，即 DS12887片，開始工作，控制單片機(jī)接口 P1.0發(fā)出低電平方波，對(duì)計(jì)數(shù)單元進(jìn)行清零初始化；第二步，通過軟件編程使單片機(jī)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(shí)觸發(fā)觸發(fā)器開始工作，使計(jì)數(shù)器對(duì)高頻方波經(jīng)過非門電路輸入到單片機(jī)的 INTO 接口，產(chǎn)生中斷，此時(shí)單片機(jī)通過 P0口取所存到74LS245單元中的計(jì)數(shù)值，并且讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元中的時(shí)間值，再通過單片機(jī)的計(jì)算處理，最后送到按鍵顯示電路，顯示出實(shí)時(shí)的流量。其主流程圖如上圖所示。顯示部分流程圖實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序進(jìn)入主程序后，DS12C887首先進(jìn)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(shí)鐘芯片獲取日歷時(shí)鐘信息，調(diào)用顯示函數(shù)顯示日歷時(shí)鐘信息顯示出來，重復(fù)進(jìn)行。這部分包括 DS12C887某個(gè)單元寫、讀DS12C887某個(gè)單元的內(nèi)和DS12C887設(shè)定時(shí)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(jì)算從超聲波發(fā)射到接收到這段時(shí)間，并且對(duì)高頻方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，再通過調(diào)用計(jì)算子程序，就可以算出此時(shí)的流量。計(jì)算子程序計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值所存到計(jì)數(shù)器里面；另一方面，讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，單片機(jī)讀取值并調(diào)用計(jì)算公式計(jì)算實(shí)時(shí)的流量，最后通過中斷顯示電路，將其顯示出來。單片機(jī)軟件抗干擾措施超聲波流量計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，有時(shí)大量存在的各種干擾源雖不會(huì)造硬件系統(tǒng)的損壞，但常常使單片機(jī)控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，使數(shù)據(jù)采集誤差加大甚 至程序運(yùn)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(duì) 策在系統(tǒng)輸入信號(hào)中含有種種噪音和干擾，它們主要來自被測(cè)信號(hào)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(duì)噪聲的消除有一定的作用，但是這種方法對(duì)放大器頻帶那的噪聲不起作用，為此，通常采用信號(hào)處理的方法來消除信號(hào)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)?？刂茽顟B(tài)失常的軟件對(duì)策⑴單片機(jī)受到干擾后，往往會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個(gè)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(shí)，就不會(huì)發(fā)生把操作數(shù)當(dāng)作指令碼的錯(cuò)誤，程序就自動(dòng)納入正軌；當(dāng)程序跳到雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時(shí)，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(gè)單字節(jié)的空操作指令 NOP，就可以保護(hù)其后面的指令不被拆散而被整的執(zhí)行。⑵回波信號(hào)有時(shí)會(huì)因?yàn)橐恍┰虬l(fā)生計(jì)數(shù)脈沖丟失現(xiàn)象，這樣就會(huì)給計(jì)帶 來誤差，需要一個(gè)出錯(cuò)處理?？梢酝ㄟ^設(shè)置一個(gè)中斷標(biāo)志位專門作為脈沖接收與 否的檢測(cè)標(biāo)志，在關(guān)閉接收電路后，軟件測(cè)試中斷標(biāo)志位，如果不為 1，則說明此次發(fā)射出現(xiàn)脈沖丟失，手動(dòng)清零中斷標(biāo)志位之后，復(fù)位各部分電路重新測(cè)量。程 序 運(yùn) 行 失 常 的 軟 件 對(duì) 策微機(jī)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(shí)故障， 使程序計(jì)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(jì)任務(wù)。這種情況對(duì)系統(tǒng)來說，比某個(gè)數(shù)據(jù)出差錯(cuò)造成的危害要嚴(yán)重得多，某個(gè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)只會(huì)使某個(gè)功能不能實(shí)現(xiàn)或產(chǎn)生偏差，程序失控則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為防止上述情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以用在程序存儲(chǔ)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(dāng)程序失時(shí)，只要單片機(jī)進(jìn)入這眾多陷阱中的任一個(gè)，都會(huì)被捕獲，然后連續(xù)進(jìn)行一個(gè)或幾個(gè)空操作（NOP，程序就會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至主程序（ LJMPMAI）重新運(yùn)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(jì)屬于間接測(cè)量?jī)x表，它對(duì)流體流量的測(cè)量是將被測(cè)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(cè)超聲波信號(hào)在流體中沿順流方向和逆流方向的傳播時(shí)間，從而計(jì)算出流速和流量的。因此，超聲波流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量誤差，既包括超聲波流量計(jì)本身的誤差，也包括被測(cè)流體、被測(cè)管道，以及其它現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件在內(nèi)的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的誤差。而它作為一種工業(yè)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量精度是一個(gè)比較重要的指標(biāo)，要使系統(tǒng)具有較高的精度，我們就必須對(duì)影響流體流量測(cè)量的各種因素進(jìn)行仔細(xì)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(píng)定精度的尺度。任何計(jì)量測(cè)試都不可避免的存在誤差，沒有誤差的測(cè)量是不存在的。在測(cè)量中，由誤差表示測(cè)得值與真值之差。按誤差的性質(zhì)和特點(diǎn)，誤差可分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類，可用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種基本方式來表示。絕 對(duì) 誤 絕對(duì)誤差的定義為xxx0式中： x ——絕對(duì)誤差；x——測(cè)得值；x——被測(cè)值的真值，常用約定真值代替。0絕對(duì)誤差的特點(diǎn)：①絕對(duì)誤差是一個(gè)具有確定的大小、符號(hào)和單位的量值。單位給出了被測(cè)量的量綱，其單位與測(cè)得值相同。②絕對(duì)誤差不能完全說明測(cè)量的準(zhǔn)確度。因此用絕對(duì)誤差不便于比較不量 值、不同單位、不同物理量等的準(zhǔn)確度。與誤差絕對(duì)值相等、符號(hào)相反的值稱為修正值，常用 C表示，Cxx0x 。在測(cè)量?jī)x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(duì)應(yīng)于該儀器的指示值的實(shí)際值： x0xc。相 對(duì) 誤 差相對(duì)誤差定義為絕對(duì)誤差 x 與被測(cè)量真值x0的比值，即：exx0在實(shí)際中，由于真值難以得到，故常用約定真值代替。為估計(jì)相對(duì)誤差方便起見，當(dāng)約定真值也難以得到時(shí)，也可以近似用測(cè)量值x來代替x0。相對(duì)誤差的特點(diǎn)：①相對(duì)誤差具有大小和符號(hào)，其量綱為 1，一般用百分?jǐn)?shù)來表示。②相對(duì)誤差常用來衡量測(cè)量的相對(duì)準(zhǔn)確程度。誤差產(chǎn)生因素由時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理我們可以知道，聲束進(jìn)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(shí)、系統(tǒng)硬件的性能等都會(huì)給測(cè)量帶來或多或少的誤差。聲束進(jìn)入流體介質(zhì)的折射角這里所說的折射角是超聲波信號(hào)在流體中行進(jìn)方向與管壁法線之間的夾。當(dāng)管壁材料、被測(cè)流體的聲學(xué)特性確定時(shí)， 角只取決于換能器的安裝度。實(shí)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(duì)使用的，而每個(gè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是不可避免的。根據(jù)流體流速計(jì)算公式 v

tt 2d2 1

，對(duì)于夾裝式超聲波流量計(jì)，超聲波在被tt sin12測(cè)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(jìn)入流體的折射角