超声波流量计系统的设计.docx

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超声波流量计系统的设计

超声波流量计系统的设计

樊伟佳

（陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业,2012级1班，陕西汉中723004）

指导教师：

秦伟

[摘要]超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表，并且以其非接触式的测量、高精度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。

本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。

设计系统时选择了一些基本电路设计了以下电路：

超声波发射电路，超声波接收电路，LED显示电路，主从单片机电路，电源电路以与存储电路等，成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现，总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特点。

另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：

水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：

0.3～20m,流速：

0.1～12m/s。

[关键词]超声波流量计；单片机；时差法；

TheDesignofUltrasonicFlowMeterSystem

FanWeijia

（Grade04,Class1,Majorelectronicsandinformationengineering，ElectronicsandinformationengineeringDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723000，Shaanxi）

Tutor:

QinWei

[Abstract]:

Ultrasonicflowmeteristheuseofultrasonicwavepropagationcharacteristicsinthefluidtomeasuretheflowratemeasuringinstruments,anditsnon-contactmeasurement,highaccuracyandothercharacteristicsinindustrialproduction,medicine,waterandotherfieldshaveawiderangeofapplications.Thisdesignusestheprincipleoftransit-timeultrasonicflowmeter,ultrasonicflowmeterformeasurementaccuracyeasilyaffectedbytemperatureproblemsusingtheimprovedalgorithmtoavoidtheeffectoftemperatureonthemeasurementaccuracy.Designsystemselectedsomebasiccircuitdesignofthefollowingcircuits:

ultrasonictransmittercircuitultrasonicreceivercircuit,LEDdisplaycircuit,master-slavemicrocontrollercircuit,powercircuitandamemorycircuit,successfullyrealizeditsmeasurementandaccessibilityofinstantaneousflow,Overall,thisdesignultrasonicflowmeterhashighaccuracy,widemeasuringrange,easyinstallation,simpletestoperation.Inaddition,thisultrasonicflowmeterdesignsuitableforpipesandopenchannelflowmeasurement,suitableformeasuringfluid:

waterorotherimpurities,lessliquid,openchanneldiameterorwidth:

0.3~20m,flowrate:

0.1~12m/s.

[Keywords]:

Ultrasonicflowmeter;singlechipmicrocomputer;timedifferencemethod;

1引言

1.1选题的目的与研究意义

由于目前国内还有大部分的液体流量计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显与普遍的缺点：

受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检测到强腐蚀性、非导电性、放射性与易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环境或材料等因素对测量的影响。

本设计主要通过对超声波在水中的传播特性、超声波传感器工作机理分析设计一种基于超声波测量原理测量流量的仪器，并且针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响，使得本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,测量流体：

水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：

0.3～20m,流速：

0.1～12m/s。

超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。

它测量液体的准度很高，基本不受被测量的介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能解决的介质有非导电性、放射性、易燃易爆等的流量测量问题。

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般的流量计跟着测量管径的增大会带来制造和运输上面的各种困难，造价高、耗能大、不好安装，这些缺点，超声波流量计都可以完全避免。

是因为各种的超声波流量计都可以在管道外安装、不用接触被测物即可测流，仪表的造价与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计都会因为口径的增加，造价也在提高，所以被测管道口径越大，超声波流量计比其它类型流量计的功能价格比越优越。

被大家广泛认可。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度基本不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，而且又可制成非接触与便携式测量仪表，所以可解决其它仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性与易燃易爆介质的流量测量问题。

另外，鉴于非接触测量特点，再加上合理的电路，一台仪表可以适应各种管径测量和各种范围的测量。

而且超声波流量计的适应能力也很强。

因为超声波流量计具有上面提到的优点因此它越来越被重视起来并且向商业产品方向发展，现已制成各种各样的，比如：

标准型、高温型、防爆型仪表以适应不同情况下的流量测量。

因此，设计一种结构简单、价格低廉的超声波流量计是非常必要的。

1.2国内外研究现状

1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“环鸣”时差法，用于航空燃料油流量的测量。

开启了超声波时代，是测量技术的一大突破。

上世纪七十年中后期，集成电路的飞速发展使得高精度的时间测量成为可能，外加高性能、工作稳定的锁相技术（PPL）的出现和应用，超声波流量计的可靠性能有了基本保证。

20世纪90年代后，新材料工艺的不断涌现，智能化处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展。

天然气工业的发展，更是促进了超声波流量计的使用和推广。

当前全世界50多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家，其中处于领先水平的有没美、荷兰、德、加拿大等国家，这些国家的经验、电子技术、工业生产都处于优势。

著名的有美国的Controlotron、Ploysonics，德国的Krohne，荷兰的Instrormet与日本的横河。

我国在60-70年代，机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北大研究所相继开始研究。

90年代初估计为8000-10000台。

94年正式出版了中国计量科学院，组织有关专家起草，分别经国家技术监督局建设部批准的“JJG”198-94速度试流量计的国家计量检定规程JJG（建设）0002-94超声流量计的部门计量检测规程。

这是中国历史上超声波流量计发展的一个重要标志。

我们国家的超声波流量计的研究技术水平相对于来说还比较落后，但在经济水平不断提高，综合国力不断的增强下，对于超声波流量计的研究技术水平也在不断地突破，在目前中国的节能减耗、可持续发展的体制下，我们将超声波流量使用在重油，天然气，水等宝贵资源的测控上。

近几年来，由于数字信号处理技术和微处理器技术的迅速发展以与新型换能器材料与工艺制作的研究，还有声道配置与流体动力学的研究，超声波流量计的研究技术取得了很大的成果，所以它的发展前景是很广阔的。

超声波流量计已经快速发展为流量测量方面的第一选择。

虽然超声波流量计测量技术已经发展很久，但是其应用范围比较小，但是随着科学技术水平的不断提高，国家企业的快速发展，需要用超声波流量计测量的领域越来越多。

超声波流量计的发展前景在中国非常可观，在供水系统、工业生产、电力、天然气等众多领域都需要用到超声波流量计。

超声波流量计在未来的发展过程中，技术将会不断地提升，精确度业依然会不断精确。

因此，超声波流量计的设计也尤为重要。

超声波流量计无论是在技术上还是在经济上都是流量计测量的理想选择，通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实现很高的测量精确度，。

与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的原件，因此，它几乎不需要维修，它能够准确的测量到液态石油气产品的宽频，而不需要像机械型技术那样得到验证。

高灵敏度可以检测到管道中的任何漏洞，与其细微微小的漏洞也会发现和不放过。

中国是发展中国家，是科技与经济不断发展的国家，超流量计在我国有很大的发展和上升空间。

中国的能源也比较匮乏，尤其是石油天然气，将在未来石油管道运输的过程中，非常需要这种超声波流量计测量，以防止泄露和破裂，同时也可以促进节约能源，进行可持续发展。

1.3论文研究的主要内容

本文通过充分调研并查阅大量文献资料，选择时间差法超声波流量计，主要研究内容如下：

1.超声波传感器的技术指标与使用方法（拟选择使用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个收/发型超声波探头）；

2.超声波探头的安装方式对比选取（Z型、V型、W型），拟选择V型安装方法；

3.时差法超声波测流量的原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，采用改进型算法将温度影响在理论上消除；

4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满足本设计的所有要求；

5.自检报警模块：

拟采用蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警；

6.数据处理模块：

要求满足不低于B级精度，也可以考虑多组测量之后进行处理，如选择求取算术平均值作为最终测量结果；

7.测量结果显示模块设计：

拟选择LCD12864显示模块；

2设计方案与工作原理

超声波流量计有很多种类，其中应用最广泛的是多谱勒超声波流量计，另一种是时差法超声波流量计。

2.1方案一

2.1.1多普勒超声波流量计

多普勒超声流量计是一种利用多普勒效应而进行测量的流量计,它是利用超声波在流体中有气泡或者悬浮微粒时，超声波在传播过程中被流体气泡或者悬浮微粒反射从而发生频移的多普勒效应来测量的，它只适合在含有杂质微粒或气泡的流体中进行测量。

多普勒超声流量计可以测量的对象只有非均匀流体，比如：

生活污水、工业废水、机油、重油。

适用管道材质包括金属、橡胶和塑料等，测速范围可达到16m/s,使用管径达到3米，测量精度达到B级。

由于适用范围广，测量精度高，因此被广泛认可，目前国也有比很多的厂家生产此类流量计。

多普勒（效应）法超声波流量计是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波而产生多普勒频移现象。

图2-1多普勒超声波流量计测量原理

如图2-1所示，超声探头A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收探头B收到频率为fB的超声波，其值为：

（2-1）

式中v一散射体运动速度。

多普勒频移fd：

（2-2）

测量对象确定后，式（2-2）右边除v外均为常量，移行后得：

（2-3）

2.2方案二

时差法超声波流量计

时差法超声波流量计的测量原理是利用了超生波在流体中顺流传播速度和逆流传播速度的不同会引起超声波的传播时间不同，根据传播时间的差值来测量流体的速度从而计算出流体的流量。

但其自身也分为两种不同的方法：

传统时差法和改进时差法。

时差法超声波流量计可以测量的流体为一些均匀流体，比如：

水、海水、污水、酸碱、汽油、柴油等等。

管材的适应能力也比较强，钢管、铸铁管、有机玻璃、PVD管材、玻璃钢管等它都可以测量，由于测量流体的精确度高，测量流体的流量范围大，所以在大流量测量系统中得到了重用。

2.1.2传统时差法

图2-2传统时差法测量原理图

流体的速度为v，超声波在静止流体中的流速为C，管径为D，发射角度为θ，td为超声波在传输过程中的误差时间总和，在超声波顺流传播时，其速度为c+vsinθ，所以顺流时的传播时间：

+td（2-4）

在超声波逆流传播时，其速度为c-vsinθ，所以顺流时的传播时间：

+td（2-5）

顺流与逆流的时间差为：

（2-6）

所以：

（2-7）

流体速度v的计算与超声波在静止流体中的流速C以与时间差Δt有关，时间差的检查主要是通过设计的计时器完成，而超声波在静止流体中的流速C受温度影响比较大，在不同的温度下C不同，所以测量就有了很大的误差。

2.1.3改进时差法的原理和优点

图2-3改进时差法测量原理图

顺流时超声波在流体中的传播速度为：

（2-8）

逆流时超声波在流体中的传播速度为：

（2-9）

两式相减，

（2-10）

（2-11）

此式中不含有声速C，只要测出顺、逆流传播时间t1和t2即可，改进时差法避免了系统受温度的影响，从而提高了系统的测量精度。

2.3方案确定

本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。

另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量,适合测量的流体：

水或其它杂质较少的液体,管径或明渠宽度：

0.3～20m,流速：

0.1～12m/s。

总的来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等特点。

3时差法超声波流量计的总体设计

3.1超声波换能器的结构与原理

在本次设计中我们需要用到超声波换能器，那么什么是换能器呢？

它是一种电与声之间的转换装置用来控制声波的发射与接收。

是超声波流量计中不可或缺的一个部分。

它的原理是在发射时将电能转换为机械能再转换为声能，反之亦然。

本次用到的超声波换能器主要是压电型。

压电型超声波换能器主要是靠压电晶体的谐振来工作的。

其结构原理如图3-1所示：

图3-1超声波换能器结构原理图

超声波换能器实质上是一个超声频电子振荡器，当我们把电极板产生的电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就会在该电场的作用下产生震荡并带动谐振子振动，并推动周围介质振动。

这样就会把电能转换为机械能，这种能量沿特定方向传播出去，就形成了超声波。

反之亦然。

3.2超声波换能器安装方式简介

现在大多数超声波流量计的安装方式均采用夹装式，即将超声波探头夹持固定，安装在被测管道的管壁上，对于单声道的流量计，其仅有两个超声波探头，它的安装方法基本有4种，分为：

V法、Z法、N法和W法。

（NO低功耗）

图3-2V法安装示意图

V法安装方法的应用次数是最多的，它有很多特点，比如使用简单、测量准确，可以测量的管径范围为20mm-3000mm左右。

安装时特别要注意将两个超声波探头水平方向对齐，要求它的中心线与管道中心线要成水平一线。

安装示意图如图3-2所示。

当管道的管径超出范围，或者流体中有杂物、管道有污垢或管道里衬特别厚时，V法安装就不能正常测量了，那么我们就要选择用Z法进行安装了。

如3-3所示，超声波在管道中是进行直接传输的，不会发生折射。

图3-3Z法安装示意图

N字安装方法适合测量管径小一点的管道，超声波波束会在管道中进行两次折射，穿过流体三次，这种N字安装方法可以提高测量的准确度。

安装示意图可如3-4所示。

图3-4N法安装示意图

W安装方法的跟N型同理，都是通过延长声波传输距离来使测量精度变高，此种方法适合管径小于50mm的小管径管道测量，如图3-5所示，这种安装方法跟N型相比多折射了一次，多穿过流体一次。

图3-5W法安装示意图

在本设计中，我们的换能器将采用V字型安装方法，这样不但安装简便而且还有其他优势，首先可以提高系统的分辨率，其次可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，然后还可以减少流速断面分布不均匀的误差，而且此种方法也可以减少超声波在声道中多次反射而对测量产生的干扰。

3.3时差法超声波流量计测量原理与影响测量的主要因素

3.3.1时差法超声波流量计的测量原理

超声波流量计的基本原理是:

利用超声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流速有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。

本课题的研究对象是时差法超声波流量计，下面将具体介绍其测量原理。

图3-6时差法超声波流量计测量原理图

从图6所示的时差法超声波计的测量原理图中可以看出，两个超声波换能器分别安装在被测流体管径的两侧，通过一定的方式可以改变超声波在流体中的传播方向，通过测量超声波在流体中的顺、逆流的传播时间差值就可以通过计算测出流体的流速，并且最后计算出流量值。

时差法超声波流量计测量的数据是超声波在流体中的传播时间差值，通过测量超声波在顺、逆流时的传播时间差△t来获得流体的流量，具体原理如下:

设超声波顺流时的传播时间为:

（3-2）

超声波逆流时的传播时间为：

（3-3）

其中D为管道直径，v为被测流体的流速，超声波在静止的液体中的传播速度为c，θ为超声波发射角度。

式（3-2）与式（3-3）相减得：

超声波顺逆流的传播时间差△t为:

（3-4）

由于超声波在静止流体中传播的速度c远远大于被测流体的实际流速v，即c>>v。

因此可得:

（3-5）

则（3-4）式可以简化为:

（3-6）

将（3-4）中的v移到等式的左边可以得到其计算公式:

（3-7）

在式（3-7）中，超声波在静止流体中的速度c通常取为常量，一般约为1500m/s，因此，被测流体的流速v只与参数D、超声波发射角度θ、时间差△t有关，而D与θ视为系统参数，因此只要测得时间差△t便可求得流速v，进而求得流量Q。

对于圆形管道而言，流量计算公式为:

其中，K为流体流速修正系数。

从上面的测量原理可以看出，只要测得超声波顺逆流的传播时间差△t就可以计算得到流量值，因此，获得精度较高的△t值才能得到高精度流量测量值。

4.时差法超声波流量计的硬件电路设计

4.1整体硬件系统设计框图

根据时差法流量测量的原理和时差信号比较小的特点，本次设计研究的时差法超声波流量计主要由两个部分组成：

信号采集部分，信号处理部分与人机接口部分。

两部分分别以主单片机和从单片机为核心，根据键盘的输入所发出的命令，进行对应的操作，主要完成超声波的发射和接收以与超声波传播时间的测量，这部分主要由超声波发射电路、接收放大电路、顺逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理与人机接口部分也是以从单片机为核心，主要负责对整个系统的控制、流量的计算还有人机接口服务，包括键盘、LED显示、数据存储等。

其系统框图如图4-1所示：

图4-1系统硬件框图

系统的工作过程：

通过编程使单片机发出一定的方波脉冲，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后返回发射端触发发射电路再次发射超声波，如此反复形成顺流发射的多脉冲循环。

当完成所定的多脉冲个数后，关断高频方波，计数器从而停止计时工作。

在这个过程中可以得到顺流传播的传播时间，测量逆流方向传播的时间同理，然后通过并行口传输到单片机上。

单片机在接收到顺、逆流的传播时间数值后，将会采用滤波技术对这些时间信号进行相应处理，并且计算出相应的流速和流量，然后保存到存储器中，最后送到LCD显示屏上显示出来。

4.2超声波发射电路设计

单片机系统发出发射启动信号，以控制超声波换能器发射超声波信号。

本部分电路采用单脉冲发射电路，由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经过三极管放大和变压器升压后，达到足够的功率后驱动换能器产生超声波。

具体电路图如下：

图4-2超声波发射电路

4.3超声波接收电路设计

超声波换能器发射出超声波信号后，会经过管壁和待测流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡，信号不稳定且强度不断减少，所以需要对接收到的超声波信号进行滤波和放大处理。

设计中，采用二级放大和带通滤波。

第一级放大电路采用低噪声高速放大器MAX410：

一级放大电路图如下：

图4-3超声波接收电路

接收到的超声波信号，经过电阻从,MAX410的2、3脚输入，放大后的信号由MAX410的6脚输出，输出的信号一路送到带通滤波器进行滤波处理，另一路反馈到ICICD4046用来完成锁相，以保持相位。

超声波信号经过一级放大后，用MAX275带通滤波器滤波之后送到二级放大电路，进行第二次放大。

带通滤波电路设计如下图：

图4-4带通滤波电路

超声波信号经过一级放大之后和带通滤波器之后，信号还比较小，采用具有较高的增益宽带积INA128放大器，进行二级放大，放大的超声波信号送到计数电路。

二级放大电路图如下：

图4-5二级放大电路

4.4超声波顺逆流发射和接收控制电路设计

电路图如下：

图4-6超声波顺逆流发射和接收控制电路

超声波换能器发射接收的方向由三个双刀双置的继电器开关K1/K2/K3控制，继电器K1为总开关，如果K1导通，通过K2和K3的导通和关闭情况来控制换能器T1和T2哪个为发射，哪个为接收。

三个继电器的状态分别由单片机的三个位口线来控制。

4.5计数电路的设计

单片机晶振频率取为12MHz,通过P1.5、P1.6和P1.7控制固体继电器的通断,进而控制超声波顺流发射或逆流发射,而P1.0则对各计数器清零,P1.2发出启动信号。

分频计数器4040满,将在INT1端产生一个下降沿,向单片机申请外部中断。

单片机通过P2.0和P2.1分别使能两片74LS245,从P0口读入其中的计数值。

由于超声波发射和接收的次数N可以通过编程来控制，N值不会太大，故计数电路选用4片74S196芯片串接就可满足需要。

计数部分的电路图如下所示：

图4-7计数电路

4.6LCD12864显示电路设计

其各项技术指标和显示的特性如下：

电源：

VDD3.3V—+5V；

显示内容：

128列*64行显示颜色：

黄绿；

显示角度：

6：

00钟直视；

LCD类型：

STN；

与MCU接口：

8位或4位并行/3位串行；

配置LED背光