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閱讀：174發(fā)布時(shí)間：2025-1-22
| 具體內(nèi)容 | 0 引言超聲波由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生，其特點(diǎn)包括振動(dòng)頻率波長(zhǎng)短、定向傳播、穿透能力強(qiáng)。超聲波流量計(jì)是通檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲束的作用以測(cè)量體積流量的一種儀表，時(shí)差法流量計(jì)是其中一種，是通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)在氣體中順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)求取流速，是一種非常理想的節(jié)能流量計(jì)。流體流動(dòng)的狀態(tài)不一定是理想的，所以要想提高流量計(jì)的測(cè)量精度就需要提高對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)的精確性以消除非穩(wěn)態(tài)的影響。隨著高速集成芯片和模擬開(kāi)關(guān)等硬件的引入，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測(cè)標(biāo)記，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的精度由計(jì)時(shí)芯片和采樣芯片決定。隨著DSP和A/D采樣在超聲檢測(cè)里的應(yīng)用以及過(guò)零點(diǎn)曲線擬合的方法的使用，可以盡量提高數(shù)據(jù)處理精度。但通常要獲得越精確的波形數(shù)據(jù)，需要的 ADC位數(shù)越高，而這與采樣率的指標(biāo)存在矛盾，如果依靠數(shù)字化后的波形判定渡越時(shí)間，兼顧采樣精度和速率存在一定的難度。本研究設(shè)計(jì)一種超聲波氣體流量計(jì)調(diào)幅式激勵(lì)電路和回波電路，在數(shù)字化判定波形特征點(diǎn)后，結(jié)合模擬電路進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)位置判定，可以在保證時(shí)間計(jì)量精度的同時(shí)維持較低的采樣速率要求。1超聲波流量計(jì)的工作原理時(shí)差法超聲波流量計(jì)表體內(nèi)超聲波聲道近似一條直線，工作區(qū)截面如圖1所示。  圖1 表體截面圖在流體通過(guò)的管道上安裝有AB 兩個(gè)成夾角θ（圖中的θ值為45°）的超聲波換能器，設(shè)流體測(cè)量聲道截面的平均線速度為V ，管道直徑為D ，兩個(gè)換能器之間的直線距離為L(zhǎng) ，超聲波在靜止的流體中的速度為C 。一束超聲波脈沖穿過(guò)流體傳播：V =0，t1 =L/C（1）A到B即順流時(shí)超聲波傳播時(shí)間為： t2 =L/(C +V cosθ）（2）B到A即逆流時(shí)超聲波傳播時(shí)間為： t3 =L/(C -V cosθ） （3）實(shí)驗(yàn)測(cè)得流體順流和逆流時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2，3）可以得到不同情況下聲道截面上的平均線速度V 。公式中L 、C 和θ均為已知，只要求得準(zhǔn)確的t2和t3 就能得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。所以確保流量計(jì)精度的關(guān)鍵就在于對(duì)渡越時(shí)間的準(zhǔn)確采樣和處理。2 激勵(lì)電路和信號(hào)接收電路2.1 超聲波激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的超聲波激勵(lì)方式一般采用一定占空比的方波給激勵(lì)換能器［7-8］，本研究采用了一種調(diào)幅激勵(lì)脈沖的方法。利用CMOS模擬開(kāi)關(guān)CD4052，對(duì)外接的幾個(gè)電壓信號(hào)源信號(hào)進(jìn)行選通。為避免通道切換瞬間電流過(guò)大，輸入端接限流電阻R1~ R3 。通過(guò)調(diào)節(jié)外接電壓可以調(diào)節(jié)激勵(lì)強(qiáng)度，電路如圖2所示。
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圖2 換能器激勵(lì)電路換能器選型為L(zhǎng)HQ200-3，其工作中心頻率為200kHz±4%，激勵(lì)脈沖波形中心頻率應(yīng)與換能器工作頻率一致，通過(guò)對(duì)引腳AB的控制，可以實(shí)現(xiàn)電壓通道切換，生成需要的波形。激勵(lì)波形在示波器中觀察的結(jié)果如圖3所示。個(gè)周期為5V小電壓，然后2個(gè)周期的24V大電壓，最后為2個(gè)周期24V電壓壓制，相鄰兩個(gè)激勵(lì)波形時(shí)間間隔約為2ms，防止發(fā)射波形間隔過(guò)短產(chǎn)生相鄰信號(hào)相互激振。CD4052為CMOS模擬開(kāi)關(guān)，芯片供電電壓VCC設(shè)為24V，而DSP控制芯片發(fā)出的控制信號(hào)太小則無(wú)法滿足控制要求，放大到高電平0.7VCC以上才能有效控制CD4052。
圖3 激勵(lì)脈沖波形圖2.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收電路的作用是將接收換能器收到的小信號(hào)進(jìn)行充分放大濾波后變成足夠大的信號(hào)。經(jīng)過(guò)管道內(nèi)的傳播，接收換能器接收到的波形變得非常微弱，只有幾毫伏到幾十毫伏，所以接收信號(hào)必須進(jìn)行放大濾波處理。超聲波頻率較高，所以要求放大芯片要有足夠的頻帶寬度，電路設(shè)計(jì)為兩級(jí)NE5534放大。它是一款單路低噪音高速雙電源供電放大器如圖4所示。圖4中電路的放大倍數(shù)由輸入輸出電阻決定，放大倍數(shù)為400倍左右，可以使電壓放大到合適的范圍。
圖4 接收放大電路采樣前，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)π型低通濾波器做抗混疊濾波處理，通過(guò)觀察示波器可以看到對(duì)波形毛刺等干擾具有一定的壓制作用。3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同風(fēng)量下?lián)Q能器接收信號(hào)的處理后波形如圖5所示。無(wú)風(fēng)速時(shí)的接收波形如圖5（a）所示，風(fēng)量為207m3/h時(shí)順流接收波形如圖5（b）所示，CH2觸發(fā)信號(hào)作為基準(zhǔn)。每個(gè)接收波形均存在一個(gè)前后波峰大小增值點(diǎn)，該點(diǎn)位置基本穩(wěn)定在波形的第12個(gè)波峰，如圖5所示，隨著風(fēng)量的增大，該波峰的位置（與觸發(fā)波形下降沿的時(shí)間差t）會(huì)發(fā)生變動(dòng)，變動(dòng)量較小且與流體的速度密切相關(guān)。通過(guò)與發(fā)射波形對(duì)比得出，這是激勵(lì)電壓中第2個(gè)24V電壓激勵(lì)結(jié)果，通過(guò)該波峰后個(gè)過(guò)零點(diǎn)的位置檢測(cè)結(jié)果可以得到不同風(fēng)速下順流和逆流的渡越時(shí)間差，在后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換中該點(diǎn)是計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)刻。處理過(guò)程中對(duì)過(guò)零點(diǎn)曲線擬合后可以得到更精確的過(guò)零點(diǎn)信息，通過(guò)中值濾波處理可以有效減小不穩(wěn)定流速引起的偏差。根據(jù)公式（2，3）計(jì)算得到的V為傳播聲道線上的平均速度，需要修正才能得到管道截面的平均速度VM =V/K，流量修正系數(shù)K=(2n+1)/2n，流體的雷諾系數(shù)為104時(shí)，n取6.5，處理結(jié)果如表1所示，基準(zhǔn)流量來(lái)自0.5級(jí)渦輪流量計(jì)。
（a）無(wú)風(fēng)速時(shí)的接收波形
（b）風(fēng)量為207m3/h時(shí)順流接收波形測(cè)量誤差包括示值誤差和引用誤差等，儀表的測(cè)量精度由引用誤差表示，示值誤差為測(cè)量值與真值之差值，引用誤差為測(cè)量值誤差與儀表的滿量程值之比。滿量程測(cè)量值取風(fēng)量時(shí)VM ，誤差分析表如表2所示。