基于超声波传感器的水流量计的设计毕业设计论文.docx

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基于超声波传感器的水流量计的设计毕业设计论文

学士学位论文

基于超声波传感器的水流量计的设计

摘要

目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。

本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。

本设计的主要工作有两个方面：

一是硬件设计，二是软件设计。

硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。

结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。

同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。

采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。

在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。

为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。

关键词：

时差式超声波流量计；低功耗；精度；MSP

Abstract

Atpresent,mosthouseholdwaterflowmetersinourcountryisMechanicalrotor-type,butthistypeofwatermeterslowaccuracyexistingshortcomings.Thispaperintroducesadesignofultrasonictechnologybasedonsuitableforhouseholdwaterflowmeter,withhighprecision,simpleoperation,lowcost,etc.

Thisdesignmainjobhastwoaspects:

oneisthehardwaredesign,andthesecondisthedesignofsoftware.Hardwaredesignsystemsusethehighprecisiontime-intervalmeasurementchipTDCformeasuringtime-GP2,andcontrolthefiringpulse,withlowpowerconsumptionofMSP430F427singlechipmicrocomputerasthecoreofthesystemtocontrolandcalculationprocessing.Combiningultrasoundflowmeterthresholdismodelandtheultrasonicsignalzerofromitsvoltageamplitudechangetheadvantagesofinfluence,andputsforwardthezerothresholdismodel,thresholdmodelcaneffectivelyremoveisreceivingreceiversultrasonicsignaltothedisturbancesignalbefore,andwiththeultrasoniczerovoltageamplitudevariationandchange,combinedwiththeadvantagesofbothstatictimedifferencecaneffectivelyrestrainthescopeofthebigchanges.Atthesametimethepulsecountscircuitdesign,eliminatesomeoftheinterference.GP2useinternalpropagationdelaysofsignalsthroughgatestomeasurepropagationtimeofsystem.TheGP2throughthechip,andtraditionalhigh-speedcounter,itischaracterizedbyhighprecision,andcanbein1MHzfrequencycompletecircuit,toavoidtheinterferenceofhighfrequencycircuitcomplexproblems,effectivelyimprovetheflowmetermeasurementaccuracyandstability.Inthedesignsoftware,toimprovethetimethemeasurementprecision,eliminateinterference,setupeffectivetimeinterval,invalidtimeandreducingtheeffectsoftheinterference.Toreducepowerconsumption,intermittentshutoffthepoweramplifier,savethebatterypower,extendedthereplacementbatterycycle.

Keywords:

ultrasonicflow-meterwithtimedifferencemethod;lowpower;measurementprecision;MSP430

1引言

1.1本课题研究的目的和意义

我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。

在全国600多个城市中，有400多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有110个，全国城市缺水年总量达60亿立方米。

不仅如此，水资源在全国范围的分布严重不均。

占全国面积三分之一的长江以南地区拥有全国五分之四的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足五分之一的水量，其中西北内陆的水资源量仅占全国的4.6％。

我国多年平均降水量约6万亿立方米，其中54％即3.2万亿立方米左右通过土壤蒸发和植物散布又回到大气中，余下的约有2.8万亿立方米绝大部分形成了地面径流和极少数渗入地下。

这就是我国拥有的淡水资源总量，这一总量低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。

但因人口基数大，人均拥有水资源量是很少的，仅为2200立方米，占世界人均占有量的四分之一。

专家预测，我国人口在2030年将进入高峰时期，届时人均水资源量大约只有1750立方米，中国将成为严重缺水的国家。

 从20世纪70年代以来就开始闹水荒，这不是危言耸听，而是客观存在的事实。

80年代以来，中国的水荒由局部逐渐蔓延至全国，情势越来越严重，对农业和国民经济已经带来了严重影响。

目前，世界80多个国家和地区约16亿人口面临淡水资源供应不足；25多个国家近3亿的人口生活在严重缺水状态。

预计到2030年，全球近40多个国家和地区，约35亿人口生活在严重缺水状态。

水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高。

面对这种严峻的现状，各国政府都采用相应的制度措施，来应对这一问题，例如采用民用水电的阶梯收费，那么就需要高精度的仪表对流量进行准确的测量，在这种背景下，超声流量计以自身测量方式简单、计量精度高、无接触测量等优点应运而生。

超声流量计可以实现与流体的非接触式的计量，无阻流件，无压力损失，精度高，功耗低，可实现多种流体的（气体、液体以及含少量杂质的流体等）测量，而且具有受干扰较小的优点，但是目前超声流量计的市场价格还比较高，超声流量计的推广受到很大限制。

超声波流量计不仅适用于对生活用水、工业废水及废气等准确计量，而且也适用于粘度较大、杂质含量较高液体的准确计量。

在国外，超声流量计被广泛应用到居民日常生活中，由于价格问题，我国仅在应用在工业领域，而且高精度的超声流量计主要还是靠进口。

研究一种低成本、测量精度高、低功耗的超声流量计有着很好的经济效益和社会效益。

本文对流体状态和超声换能器进行了分析研究，从而为提升超声流量计奠定了理论基础，另外本文从硬件和软件算法的改进来进一步提升计量精度、降低系统功耗，最后采取抗干扰措施来提高系统的稳定性，并提供了低成本、高精度的设计方案。

1.2国内外研究情况及其发展

1.2.1家用水表发展历程及分类

水表是指记录流经封闭满管道的可饮用水的计量仪表，水表的指示装置一般只显示通过水表的水体积总量，它可以安装电子传感器来实现水量信号的传输。

在家庭设置水表目的在于计算水量，节制用水，同时还有在生产上核算成本的作用。

在地域水资源不丰富，能源也不充足的情况下，节约用水尤为重要。

（1）发展历程

从1825年英国的克路斯发明了真正具有仪表特征的平衡罐式水表以来，水表的发展已有近两百年的历史。

水表的结构先后出现了往复式单活塞式水表、旋转活塞式水表、圆盘式水表、旋翼式水表和螺翼式水表（又称沃特曼水表）等形式。

随着现代化制造工艺、材料及电子技术的发展促进了水表技术的飞速发展。

目前水表的工作原理和基本结构仍在水表制造企业中广泛使用，但是在水表的外形设计、制造工艺和材料选择等方面做了不断的改进，即提高了水表的计量精度和可靠性，又降低了制造的成本。

我国水表的使用和生产起步较晚。

1879年，李鸿章操办海军，在旅顺口创建了我国第一家水厂，水表开始进入我国。

20世纪30年代，当时的上海光华机械厂（现上海光华仪表厂前身）等厂家从国外进口部分零件开始生产水表。

但是，当时我国的水表行业主要还是由国外的一些厂家操控，由于不同国家生产水表的标准不一，零件不通用，给当时的城市供水企业的水表维修带来了很大的困难。

1949年解放后，城市自来水事业在政府和城市建设部主管部门关注和支持下，得到了迅猛的发展，我国的家用水表工业也相应地发展起来。

从1955年起，上海、北京、天津、南京等城市自来水公司逐渐开始生产水表。

20世纪50年代后期，上海光华仪表厂开始生产少量的全金属结构、指针读数的速度式水表。

20世纪60年代初期在原一机部仪表局的重视下，国家投资建设了两家水表生产厂，即天津自动化仪表三厂和宁波水表厂。

之后，又完成了DN15～DN50小口径多流束旋翼式湿式水表系列和DN80～DN150多流束旋翼式湿式水表产品的设计及样机试制，从而改变了国内水表种类繁杂的状态。

20世纪80年代初，我国水表行业在机械工业部上海市自动化仪表研究所的组织下，根据水表国际标准ISO4064的要求，对小口径水表又推出了八位指针、整体叶轮的全国统一设计的水表，满足了日益发展的城乡自来水业发展的需求。

近年来，市场经济的发展也促使了水贸易结算方式发生着改变。

先是总表制，即整座楼仅在进户总管上设一水表，用户之间用水多少无法明确，而费用按户均分，这就造成水浪费，也导致了邻里矛盾，现在推行的是“一户一表”制，减少了用户间因用水不均而产生的纠纷，也减少了用水量。

（2）分类

从不同的角度出发水表有不同的分类方法，基本上是按以下这些原则：

①按测量原理

按测量原理可分为两种：

速度式水表和容积式水表。

前一类主要是用于实际水量计量；后一类价格较高，主要用于试验。

速度式水表是安装在封闭管道中，由一个运动元件组成，水表的动力来源是水流的运动，容积式水表又称活塞式水表，是安装在封闭管道中，由一些被逐次充满和排放流体的已知容积的容室和凭借流体驱动的机构组成的水表，简称定量排放式水表。

②计量等级

计量等级反映了水表的计量流量范围，尤其是小流量的家用水表的计量性能。

按照从低到高的次序，一般分为A级表、B级表、C级表和D级表。

我国家用水表的等级要求达到B级水平。

③按安装方向

按安装方式通常可分为水平安装水表和立式安装水表（又称立式表），是指安装时其流向平行或垂直于水平面的水表，在水表的度盘上用“H”代表水平安装、用“V”代表垂直安装。

④按介质的温度

按介质的温度可分为冷水水表和热水水表，水温30℃是其分界线。

⑤远传水表分类

远传水表通常是以普通的水表为基表，在上面加装了远传输出装置，远传输出装置可以安置在水表内部或指示装置内，也可配置在外部。

可分为两类，一类是包括代表实时流量的开关量信号、脉冲信号、数字信号等，另一类代表累积流量的数字信号和经编码的其它电信号等。

远传输出的方式包括有线和无线。

⑥预付费类水表

预付费水表是以普通水表作为基表、在上面加装了控制器和电控阀所组成的一种具有预置功能的水表。

主要有IC卡冷水水表、TM卡水表和代码预付费水表等。

1.2.2家用水表的问题和难点

家用水表多是机械旋翼式，下面对这种水表在制造和使用中遇到的问题和难以发展的因素做一介绍：

（1）水表始动流量大

水表的始动流量（又称灵敏度）是各方尤其是供水公司比较关注的技术指标。

而目前家用的水表始动流量大，即通常所说的“大管小流不走表”，这是由旋翼式水表的原理造成的。

（2）不流水水表自走现象

由于管道加压混入空气和水温变化等原因，水管会存有空气，会造成安装在某些位置的水表在不流水时也会有缓慢的走表现象。

目前结构的旋翼式水表无法从根本上解决这一缺陷。

（3）漏损率高

在我国一般城市的漏损率可达到30%，最高可达40%。

（4）检定和维修周期短

旋翼式水表由于有旋转部件，大流量高流速时磨损很快，降低计量准确度，因此需定期检修、标定，检验周期一般是一年。

（5）准确度低

根据水表相关规程，水表准确度等级为2级，用分段（高区和低区）误差限要求来表示。

从最小流量到分界流量的低区误差要求为±5%，从分界流量到最大流量的高区误差为±2%。

根据目前流量计的准确度等级，机械式水表的准确度较低。

1.2.3计量水的流量计简介

下面简要介绍几种用于水量计量的流量计：

（1）电磁流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体体积流量的仪表，由电磁流量传感器和转换器两部分组成。

电磁流量计测量范围宽，满量程值的流速可在（0.5～10）m/s内选定，准确度较高（可达到0.5%），。

电磁流量计的缺点是不能测电导率很低的液体、含较多较大气泡的液体等。

20世纪70～80年代电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为使用广泛的一类流量计。

（2）差压式流量计

差压式流量计的测量原理是，在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，则管内流束在通过该节流件时就会造成局部的收缩，即会产生一定的压力差，在一定的流体参数情况下，这个压力差与流量之间有一定的函数关系。

因此，可以通过测量节流件前后的压力差来测量流量。

差压式流量计的特点是比较经济。

缺点是压损大、流量比小，对流量计安装的前后直管段要求也较严格。

（3）涡街流量计

涡街流量计又称旋涡流量计，是利用流体振动原理来进行流体测量的。

这种流量计在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速（或流量）有一定的关系。

涡街流量计的优点是结构简单牢固，安装维护方便，准确度高，压损小；缺点是在外界产生的振动信号对其测量信号有一定的影响，对于低速流动的流体由于产生的流体振动信号强度不足，且不适合低雷诺数（介质粘度高、口径小）的测量，对流场要求高。

（4）超声波流量计

超声波流量计是通过检测流体流动时对超声波信号的影响来测量流体流量的仪表，可做非接触测量，安装时无需截断流体。

超声波流量计为无流动阻扰测量，无额外的压力损失。

超声波流量计测得的流量是通过测量超声束的传播时间，以及从实际测量的管道和声道等几何尺寸计算求得的仪表系数，最终计算出来的，属于间接测量。

因此，采用的测量方法准确程度决定了整个测量精度度的高低。

1.3本设计的主要研究内容

本设计是围绕超声流量计精度的提升、功耗的降低进行展开工作的，在精度的提升方面，首先是从超声换能器以及流体状态分析、流速补偿角度来提升计量精度，其次从超声流量计硬件系统角度对传统信号处理部分进行改进；在降低功耗方面，从硬件和软件的角度出发完成整个超声流量计系统功耗的降低。

叙述了课题研究的背景、意义、目前的国内外现状以及发展趋势，以及设计的来源以及内容和安排。

然后对超声流量计做了介绍，包括超声流量计的分类，时差法超声流量计测量原理以及流体状态对超声流量流速的影响，并得到经验修正系数。

在超声换能器的选择上，先对超声换能器做了总体的介绍，分析了换能器参数、换能器晶片的谐振特性及对超声换能器声、电匹配的实现的过程。

对于时差法超声流量计功能的实现，从系统角度分析超声流量计的每个模块的工作原理及实现过程，包括微处理器的选择、计时模块、切换开关以及驱动电路模块、稳压电路模块、电池电量检测模块、信号处理模块等。

对超声流量计功耗的以及精度做了定量分析，所设计的超声波水表的精度主要取决于时间差的测量，为提高时间精度在硬件电路设计时尽量采用高精度的原件，换能器的工作频率于1MHz，在此频率时，分立原件很难有较高的精度，故采用TDC-GP2测时芯片，单次测量的误差在50ps，为水表的精度提供了保障，软件方面，为排除干扰设置阈值检测的有限时间和无效时间。

功耗方面选用低功耗的芯片，并用软件在相应时间关断放大器等器件，保证水表在B级精度范围内。

2超声波流量计的原理与分类

2.1流量仪表的基本概念

2.1.1流量的基本概念

流体在单位时间流过管道或设备的某处截面的数量称为流量。

流过的数量按体积计算的称为体积流量，（或容积流量）用符号Q表示;按质量计算的称为质量流量，用符号G表示。

设流体通过管道或设备某处横截面积中的某以微小面积为dF，并将通过该微小面积的流量取为v，则通过微小面积dF的体积流量dQ为

（2.1）

根据式（2.l），可求出流过横截面的体积流量

（2.2）

如果所截面上的各点流速相同，则从式（2.2）可知体积流量

（2.3）

事实上界面上的各点速度并不相等，因此引入平均流速的概念

（2.4）

质量流量G可用体积流量Q和流体的密度户之积来表示

（2.5）

某段时间内流过的流体的总量称为累积流量，等于在该时间内对时间积分。

与累积流量相对应的流量称为瞬时流量。

2.1.2超声波流量计的基本概念

超声波流量检测是超声应用的一种，主要是声速测量技术的应用。

超声波在流动的流体中传播时就会载上流体流速的信息，超声波在运动的流体中传播与在静态流体中比较时，相对于管道壁（视为固定坐标系），波束的某些物理特性会发生变化，在静态的基础上又增加了流体流速的信息，因此通过接收到的超声波信号就可以检测出流体的流速，进而换算成流量。

2.2超声流量计分类及应用特点

根据检测的方法，可分为传播速度差法（直接时差法、相位差法、频差法）、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等，其中传播速度差法应用较为广泛。

2.2.1多普勒法超声流量计

当波源产生的波（声波、电磁波、光波等）向观察者方向传播时，接收者接收波的频率会增大；当波源背离观察者的方向传播时，接收者接收波的频率会减小。

当观察者相当于声源有相同的移动时，同样可以得出这种现象。

这种现象被称为多普勒效应。

由于在流体中含有固体颗粒，固体颗粒可以反射超声波，从而超声波的频率会发生变化，多普勒超声流量计就是利用声波的多普勒原理实现对流速的测量，图2.1是多普勒超声流量计的测量原理图。

图2.1多普勒超声流量计的原理图

图2.1中，A、B分别代表发射换能器和接收换能器，V为流体中固体颗粒运动的速度，θ为发射声波与颗粒运动的速度方向之间的夹角。

设换能器A发射的超声波频率为fa,经过流体中固体颗粒散射，散射超声波所产生的多普勒频移为fm，换能器B所接收到的超声波频率为fb，超声波传播速度为V，根据多普勒效应定理可知

（2.6）

（2.7）

由于声速大的多，所以（2.7）可简化为

（2.8）

（2.9）

通过式（2.9）可以计算出流体的运动速度，然后通过流速与累计流量的关系可以计算出累计流量。

多普勒超声流量计可以实现非接触测量，无流体的阻碍装置，无压力损失，但是其只应用在含一定杂质或气泡的流体，不适合对纯净流体的测量，测量的精度不高，广泛用于在污水处理、含有泥沙液体的测量。

2.2.2传播时间法超声流量计

超声波在流体中传播时，当流体的流速增加时，顺流方向的超声波传播速度将会变大，而逆流方向的超声波传播速度将减小，所以对同一固定传播距离（两换能器之间的距离）在顺逆流时有不同的传播时间。

传播时间法超声流量计就是利用顺逆流传播时间的差值与流速有一定关系而实现对流体的测量。

按照实际测量的具体参数可把该超声流量计细分为：

（1）时差法超声波流量计；

（2）频差法超声波流量计；（3）相位差法超声波流量计。

本文主要研究的是时差法超声流量计，所以本文在2.2节着重介绍该超声流量计的。

2.2.3互相关法超声流量计

互相关法超声流量计利用超声波信号的相关性理论而实现对流体的测量，流速的计算表达式与超声波传播速度没有关系，该测量方法比较适合于流速干扰大的流体计量。

在管道中，运动的流体会对超声波信号进行调制，调制后的超声波信号包含有流体流速的信息，通过相关性的理论就可以对该信息进行提取，从而可以计算出流体的流速。

测量过程如图2.2，在管道的上下游依次安装两对换能器A和A1、B和B1，其中A、B为发射超声换能器，A1、B1为接收超声换能器，换能器A与B之间的距离为L。

图2.2相关法超声流量计测量原理图

管道有流体流动时，超声波信号在流体中传播会受到流体流速的调制，分别对A1、B1接收的被调制的超声波信号进行采样，得到信号x（t）、y（t），这两个信号包含流体流速的信息。

信号x（t）、y（t）只是时间域上滞后的区别，把两者作相关的计算，其互相关函数为

（2.10）

当互相关函数Rxy的数值为最大值时，此时函数y（t）为信号x（t）的延迟时间α0，y（t）=X（t-α），所以流体的流速为

（2.11）

通过式（2.11）可以计算出流体的运动速度。

2.2.4超声波束偏移法超声流量计

超声波束入射方向与流体流动的方向垂直时，当流体在管道中流动时，超声波束会受到流体流速场的调制产生偏移，该偏移量与流体的流速有一定的关系，波束偏移法超声流量计就是利用该原理测量流体的流速的。

图2.3波束法超声流量计原理图

测量原理如图2.3，当管道中的流体静态时，发射换能器S1发射的超声波，垂直于流体流动的方向，超声波束如实线所示，接收换能器S2和S3接收的超声波的电压幅度相同，当管道的流体