摘 要: 針對超聲波流量計(jì)測量精度易受溫度影響問題, 利用標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 避免了溫度變化對測量精度的影響。 對流量計(jì)的硬件電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì), 發(fā)射電路利用 555 多諧振蕩器, 產(chǎn)生 40 kHz 的超聲波, 接收電路對回波信號進(jìn)行一系列處理, 通過對接收信號進(jìn)行放大、濾波、檢波、比較器反轉(zhuǎn), 產(chǎn)生中斷信號, 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)回波信號振蕩的消除。 實(shí)踐表明, 該裝置具有計(jì)量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉特點(diǎn)。

  由于超聲波其指向性強(qiáng), 能量消耗緩慢, 傳播距離較遠(yuǎn),檢測手段精度高 , 價(jià)格低廉 ,檢測迅速方便等特點(diǎn),超聲波在測距和流量等測控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛的應(yīng)用。研制的無接觸式超聲波流量計(jì)可應(yīng)用在經(jīng)明渠排放的工業(yè)污水流量檢測。由于接觸式測量存在傳感器受腐蝕和損壞等問題, 因此非接觸式測量技術(shù)將具有更大的應(yīng)用潛力。該儀器具有溫度補(bǔ)償,用標(biāo)準(zhǔn)反射桿做基準(zhǔn)進(jìn)行校正, 可提高該儀器的測量精度。

1、測量原理：
 明渠流量計(jì)中使用***多是堰式流量計(jì)和槽式流量計(jì)^[ 1] ,通過測出堰槽內(nèi)堰頂水頭高度 h , 采用流量計(jì)算公式(1)、(2)可得到流量。湯姆森公式:
 

h 的適用范圍在 0 .06 ～ 0 .381 m 。
 超聲波測距原理^[ 2] :超聲波在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下, 超聲波在空氣中的傳播速度為 c , 因此只要測定超聲波從發(fā)送到接收的傳播時(shí)間就可以計(jì)算出兩者之間的距離。
  s = ct / 2 (3)超聲波在空氣中的傳播速度為 c ,0 ℃時(shí)的傳播速度為 331 m/s ,25 ℃時(shí)為 347 m/s ,其與環(huán)境 θ(℃)的關(guān)系如(4)式所示。c = 331 .4 +0 .61θ (4)由于超聲波的聲速受到溫度 、濕度和其它環(huán)境因素的影響[ 2],如果測距精度要求很高,則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 為了補(bǔ)償環(huán)境條件影響, 設(shè)計(jì)了固定參比(標(biāo)準(zhǔn)桿), 以補(bǔ)償環(huán)境條件的影響 。
  通過標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行溫度 、濕度等補(bǔ)償后,水位與超聲波的速度無關(guān),提高超聲波測距精度 。
  超聲波傳感器安裝在堰槽上方 ,如圖 1 所示, 由單片機(jī)激勵(lì)探頭中壓電晶體發(fā)射超聲波信號, 并在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)啟動單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)時(shí) , 該超聲波信號在空氣中傳播 ,遇到標(biāo)準(zhǔn)桿處,其中一部分產(chǎn)生第 1 次反射回波, 而其余部分繼續(xù)在空氣中傳播 。反射部分反方向傳播, 進(jìn)入探頭 ,引起探頭晶片振蕩,產(chǎn)生聲能—機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換 ,使探頭輸出第 1 個(gè)電信號, 引起單片機(jī)第 1 次中斷。而在空氣中繼續(xù)傳播的超聲波到達(dá)水面時(shí) ,在氣液交界面產(chǎn)生第 2 次反射回波 ,反射回波反方向傳播反射到壓電晶體上 ,使探頭輸出另一個(gè)電信號,引起單片機(jī)的第 2 次中斷。在中斷程序里, 分別讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值 ,即為探頭從發(fā)射到接收標(biāo)準(zhǔn)桿和水面的反射回波的傳播時(shí)間 t1 和 t , 根據(jù)公式(5)可算出探頭到液面的高度 H 。
  H = H 1 t/ t1 (5)h = H 2 -H -ha (6)式中 ,h 堰頂水頭 ,ha 為堰高 , H 為探頭到液面的距離, H2 為探頭到堰底的距離。式中 t 為傳感器至液面的超聲波傳播時(shí)間, t1 為傳感器至標(biāo)準(zhǔn)反射體之間的超聲波傳播時(shí)間, H1 為探頭到標(biāo)準(zhǔn)桿的距離 ,H 為探頭到液面的距離 。

圖 1 　三角形堰測試原理圖

2 、系統(tǒng)硬件的構(gòu)成：
　超聲波流量計(jì)由超聲波發(fā)射電路 、接收電路 、電源 、探頭等構(gòu)成,如圖 2 所示 。

圖 2 　無接觸式超聲波流量計(jì)系統(tǒng)

　W77E58 單片機(jī)是 Winbond 公司生產(chǎn)的高速單片機(jī) ,與傳統(tǒng)的 8052 系列單片機(jī)相比, 其機(jī)器周期僅包含 4 個(gè)時(shí)鐘周期 , 執(zhí)行指令速度是 8052 的1 .5 ～ 3 倍 , 晶體頻率可達(dá)到 40 M H z , 有 3 個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ,用做定時(shí)器時(shí) ,可對 4 個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù) ,其定時(shí)時(shí)鐘為 10 M Hz , 測量時(shí)間的分辨率為 0 .1 μs 。而 A T89C52 的晶振頻率為 24 M Hz ,它的定時(shí)頻率為 2 MHz , 測量時(shí)間分辨率為 0 .5 μs 。因此利用 W77E58 可提高測量時(shí)間的精度。它是本系統(tǒng)的核心,控制超聲波發(fā)送電路發(fā)射超聲波 ,記錄超聲波從發(fā)射到接收反射回波的時(shí)間 , 根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出探頭到液面的高度。

2 .1、超聲波發(fā)送電路和接收電路：
2 .1 .1 、超 聲波 發(fā)送電 路的設(shè)計(jì)：
　由單 片機(jī)W77E58 的 P1 .0 管腳產(chǎn)生同步脈沖 , 該同步脈沖作用至由 555 定時(shí)器接成的多諧振蕩器 , 使振蕩電路產(chǎn)生 40 k Hz 的脈沖方波, 經(jīng)功放加至超聲波探頭 , 由逆壓電效應(yīng)探頭產(chǎn)生頻率為 40 k Hz 的超聲波[ 3]。
  用 555 定時(shí)器接成的多諧振蕩器來驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器 ,如圖 3 所示, 555 定時(shí)器外接電阻 R1 ,R2 和電容 C1 構(gòu)成的多諧振蕩電路 。 振蕩頻率 f 主要取決于電阻 R 1(包括電位器的阻值)、R2 和電容C1 , 當(dāng) R1 , R2 和 C1 固定時(shí) , 改變電位器的阻值就可調(diào)節(jié)振蕩頻率 , 使之與換能器的 40 k Hz 固有頻率一致,振蕩幅度由電源電壓來決定,為保證 555 定時(shí)器具有足夠的驅(qū)動能力 , 采用 +12 V 電源 。
　頻率為 :f =1 .43/[ (R1 +Rp +2R 2)C1] (7)　　但是輸出的矩形波是不對稱的, 占空比為:q =(R1 +R p +R2 )/(R1 +Rp +2R2 ) (8）。

2 .1 .2 、超聲波接收電路的設(shè)計(jì)：
　超聲波在空氣中傳播遇參比面(標(biāo)準(zhǔn)桿)產(chǎn)生第 1 次反射回波 ,在氣液交界面處產(chǎn)生第 2 次反射回波, 兩次回波分別在壓電晶體上 ,產(chǎn)生聲能 -機(jī)械能 -電能轉(zhuǎn)換,使探頭輸出電信號,此電信號僅 50 ～ 100 m V , 且伴隨一定的噪聲[ 4],因此接收電路主要功能是信號的放大, 抑制噪聲,提高信噪比[ 5]。在此超聲波接收電路前兩極放大器[ 6]選用 OPA37 ,后一級選用 AD811 , 前兩極之間外接 RC 電路組成高通濾波器, 后兩級之間外接選頻電路, 有效地抑制噪聲。反射的電信號(50～ 100 m V)經(jīng)接收板接收放大 、倍壓及檢波后 ,在探頭距液面 880 mm 時(shí) , 已達(dá)到 17 .3 V ,輸出信噪比15 .78 , 比較理想 。

圖 3 　超聲波發(fā)射驅(qū)動電路

  當(dāng) P1 .0 由低變高時(shí), 開始發(fā)射, 并立即啟動定時(shí)器 T1 計(jì)時(shí) 。接收到的兩次電信號經(jīng)接收電路進(jìn)行三級放大、比較器比較(門坎電壓設(shè)置是為了去掉噪聲電壓),開關(guān)電路送回單片機(jī)作為外中斷 IN T0的觸發(fā)信號 , 引起 CPU 兩次中斷[ 7]。在中斷程序里,分別讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值 ,即為探頭從發(fā)射到接收標(biāo)準(zhǔn)桿和水面的反射回波的傳播時(shí)間。在常溫下,聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)(4)式計(jì)算出為340 mm/ ms 。選用 5 個(gè) 40 k H z 脈沖方波 120 μs的發(fā)射脈沖寬度 。

2 .2、發(fā)射回波和標(biāo)準(zhǔn)桿反射回波振蕩的消除：
　標(biāo)準(zhǔn)桿的反射回波將有 60 μs 的震蕩[ 8],對于這些震蕩必須消除 ,只用反射回波的第 1 個(gè)脈沖 ,采用的方法是單片機(jī)發(fā)射超聲波, 立刻啟動定時(shí)器計(jì)時(shí) ,當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間 T <60 μs 時(shí) ,回波信號的通道關(guān)閉,關(guān)閉中斷,當(dāng) T >60 μs ,采集回波信號的通道打開,開中斷 ,準(zhǔn)備接收標(biāo)準(zhǔn)桿的中斷 , 進(jìn)入桿中斷后, 讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值 , 采集回波信號的通道關(guān)閉 , 關(guān)中斷 ,當(dāng) T <60 μs , 采集回波信號的通道打開 , 開中斷 ,準(zhǔn)備接收水面中斷后, 停止定時(shí)器計(jì)時(shí) ,并讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值 t1 。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
  精度問題是我們研制流量計(jì)時(shí)一直關(guān)心的, 系統(tǒng)中單片機(jī)的晶振頻率為 40 M Hz ,經(jīng)過四分頻后,機(jī)器周期為 0 .1 μs 。因此 ,該系統(tǒng)的***小時(shí)間分辨率是一個(gè)機(jī)器周期即 T =0 .1 μs ,所測液位的***小分辨率為 L =TV =0 .074 mm 。表 1 為該流量計(jì)[ 9]的實(shí)測數(shù)據(jù) 。
  標(biāo)準(zhǔn)流量由電磁流量計(jì)給出 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 :測量誤差均小于 1 %。

表 1　明渠流量計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)

4、結(jié)束語：
  該流量計(jì)在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行溫度 、濕度補(bǔ)償 ,對反射信號進(jìn)行了濾波, 放大, 與檢波處理 , 在軟件上對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值的處理, 有利于測量精度的提高[ 10]。