非接触式的超声波流量检测技术研究

        摘  要： 基于超声波流量检测技术，通过差分驱动技术、回波微弱信号放大与滤波技术、高精度的计时技术、ARM和 CPLD的双核并行处理技术的研究，实现了流量传感器的低功耗、高精度、高可靠性。

        关键词： 超声波；流量检测；双核；计时

        管段式超声波流量传感器由于不易被堵塞、可适应各种具有较强腐蚀的液体而日益得到重视。虽然该类设备已被广泛应用，但仍然存在一些不足，主要体现在以下几个方面:(1)使用范围受到限制，由于管段式传感器需要破坏流体现场进行安装[^1]。(2)测量结果易受被测液体的压力、密度、粘度等参数影响；有时在高压力、高密度、高粘度的环境下会造成超声波探头的永久损坏，造成不可估量的损失。(3)多数此类传感器采用高电压驱动探头，使得功耗高，也对现场造成一定的影响。(4)计时精度低，使得对液体流速的分辨率变低。

        非接触式超声波流量传感器是根据超声波在被测液体内顺流和逆流传播的时间差制成的测定液体流速的仪表。其安装采用非介入式夹装在被测管道的外侧，能够用于恶劣的环境；同时在测量管内径一定时，皮秒级计时精度使得顺流和逆流测得时间差与其瞬时流速呈线性关系，而与其他物理参数(如压力、密度、粘度等)无关，且对液体的低流速分辨率高。

        本文通过对非接触式的超声波流量检测技术的研究，设计出一种流量传感器，实现对液体流量低功耗、高精度、高可靠性、高分辨率的检测。

1 流量的超声波检测基本原理

        时差测量法的基本原理如图1所示^[2]。当探头A发射，B接收时，声波顺流传播，速度快，时间短，可写为：

        而探头B发射，A接收时，声波逆流传播，速度慢，时间长，可写为：

        因V<<C，故V²可忽略，故得：

        可见，当C和L为常数时，液体流速V便与&Delta;t成线性关系。 

2 流量检测技术的实现

        非接触式的超声波流量传感器由超声波探头和信号接收处理等部分组成。超声波探头将驱动电信号转换成超声波传递；信号接收处理部分将获取的微伏级的回波电压经过放大、滤波等处理后，使其变成工业仪表所能接收的标准电压、电流或脉冲信号，再经过接收处理，得到超声波每次传递的时间差，实现流速和流量的显示、记录和运算。

2.1 总体方案

        总体方案如图2所示，包括驱动、信号处理、接收电路和计时电路等几部分。

2.2 驱动电路

        超声波驱动方式有单脉冲和多脉冲两种驱动方式^[3]。

        通常情况下，液体流速测量的超声波探头的驱动方式一般采用单端较高电压驱动，比如图1中的A和B探头均采用30～200 V的电压驱动。但在本文中，对A和B探头分别采用电压仅16 V的低压差分驱动技术，使其功耗尽可能低。

        探头采用三线制分别为正、负和地，在此分别以地为参考对正和负端进行多脉冲驱动，其驱动波形如图3所示：1为正端驱动波形，2为负端驱动波形；1和2波形在相位上相差一个相位。

        然后，通过示波器直接观察超声波探头正负两端的波形可以看到其驱动波形如图4所示。从图中得知在该种差分驱动方式下，16 V的差分驱动电压而获得32 V的实际驱动电压，使得事半功倍。

2.3信号接收与处理电路

        非接触式的超声波流量检测技术是超声波测速的具体应用。信号接收与处理电路是探头与单片机的中介，它是测量系统中硬件的关键部分，作用是将探头的微伏级回波电压信号经放大滤波后，再转换成计时电路需要的脉冲信号，然后将顺流或逆流时间送入到单片机中做处理换算成被测液体实时流速V。其信号接收与处理电路原理框图^[4-5]如图5所示。

2.3.1 接收电路

        由于回波信号是每次顺逆流A或B探头轮流输出的，所以必须对回波信号进行接收切换。比如，当A探头发射声波时，回波信号必须切换到B探头为接收信号，反之相同。

        接收电路中选用光电开关，与模拟开关相比具有高载荷电压、干扰隔离好等优点；同时有导通电阻小、偏置电流低、响应速度快等特点。在此选用了AQY212光电开关。

2.3.2 一级信号放大与滤波

        为了对超声波探头的回波信号进行处理，需要将其放大和滤波。由于回波信号是微伏级的电压微信号，为了降低共模信号对其的干扰，信号放大需满足偏置电流低、增益高、选择性好、频率响应好、低温漂和高带宽要求。另外，回波中带有干扰信号，为了消除干扰，需精确地选出回波信号的频段，同时不引进新的干扰信号。

        综上分析，若有源放大器本身具有选频特性，在此有源放大器引入的干扰信号可以通过后续的无源器件滤掉，这样就既满足了将探头微伏级回波信号的放大，又很好地消除干扰信号、精确选频、滤波效果好。经过再三查证，本文选用中频放大器MC1350和中周配合使用，其放大和滤波效果完全满足要求。

2.3.3  二级信号放大

        经过一级放大之后，由于放大倍数不够，所以还需要对此信号进行放大，利用反相放大电路来放大经过一级放大滤波处理的信号。再经过二级放大之后的探头回波信号波形如图6所示。

2.3.4 比较电路

        回波信号经过前面的处理后，将信号输入到比较电路中，并设定标准电压作为比较阈值电压，当回波信号波形高于此阈值电压时就产生对应的回波脉冲，即为此次计时结束的脉冲信号。在此选用了比较器MAX9202，具有响应速度快、偏置电流小等特点。

2.4 计时电路

        计时电路是整个检测技术的关键，其顺流或逆流每次超声波传播时间的测量准确性决定了整个传感器的测量精度、可靠性和稳定性等。

        如图7所示，顺流或逆流的超声波传播时间为t，t为驱动电路的发射脉冲为计时起点到回波信号经过比较器后的脉冲为计时终点^[6]。

        根据式(1)、式(2)，由于超声波在液体里的传播速度室温时为C=1 500 m/s,在静态时，V=0，取DN=20 mm(小管径为例)，&theta;=30&deg;，则得到

        由上面在小管径的室温静态时，顺逆流单次传播时间仅为13.3 &mu;s。可以得出动态传播时差会更小，因此可针对微秒级甚至到纳秒级计时。

        综上，本文选用德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP21，其时间测量范围90 ps～4 ms。 

2.5 主控电路

        在该系统中,有较多的控制时序,比如发射驱动时序、发射与接收控制时序、计时电路时序等，且时序控制要求准确和可靠。若单独采用一个微处理器既完成时序控制，又测定数据处理计算、显示、储存等，不仅影响了系统时序控制的准确度，而且降低了其运算速度和精度。因此选用两个微处理器ARM芯片和CPLD。

        选用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2132作为核心处理器。 

        在CPLD家族中,选用Altera公司的MAXⅤ芯片，其具有编辑性强、操作简单、功耗低和速度快等特点，并能够满足本系统的设计需求。

3 结构设计

        非接触的超声波流量检测原理设计的流量传感器，采用外夹持式结构，使其测量不受被测量介质的压力、密度、粘度和腐蚀度等因素影响；同时不需要对原有的被测量现场和管道进行破坏，维持了原有的工作现场并提高了工作效率。其结构示意图如图8所示。

4 实验测试

        基于此项流量检测技术研究制成的非接触的外夹持式超声波流量传感器样机，在实验装置上以水为测量介质，使用经过中国计量科学研究院检定的某高精度的流量计作为标准流量计进行对比实验，该标准流量计精度为0.2%，重复性误差为0.5%，测量范围为0.1～10 m/s；实验管径为100 mm。

        同时选用了一台管段式超声波流量传感器，管径为100 mm，主控CPU采用单核的单片机，与标准流量计在不同压力情况下做对比实验。

        样机、管段式超声波流量传感器与标准流量计在液体压力为4 MPa时测得的试验数据如表1所示。 

        由以上对比实验得出，无论是在精度上还是在可靠性上非接触式的外夹持式超声波流量传感器都比管段式的超声波流量传感器略胜一筹。

        本文非接触式的超声波时流量检测技术研究，设计实现的流量传感器具有以下特点：

        (1)测量精度高，重复性误差小，可靠性高，通过实验测试得到本传感器的精度高达0.87%，重复性误差小于0.14%。

        (2)流速最低能够测到0.1 m/s,流速分辨率高；功耗低、计时精度和准确度高，使其稳定性好。

        (3)外夹持的结构设计，可适用于各种工业现场，尤其是恶劣的环境下。

参考文献

[1] 黄建军. 关于改进超声波流量计性能的研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2002.

[2] 闫菲. 多脉冲时差法超声波流量计的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2006.

[3] 迟光勋. 超声波相关流量计的研制[D].长春：吉林大学，2005.

[4] TAKAMOTO M, ISHIKAWA H, SHIMIZU K, et al. New method for very low liquid flow rates using ultrasound[J].Flow Measurement and Instrumentation.2001,12(4):267-273.

[5] 廖志敏，熊珊. 超声波流量计的研究和应用[J]. 管理技术与设备，2004(4)：12-14. 

[6] 姚滨滨,张宏建，唐晓宁，等. 基于时差法和TDC-GP2超声波流量测量方法[J]. 自动化与仪表，2011(8)：17-20.