基于超声波的水流量设计)

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：超声波时差式超声波流量计低功耗精度
目录
一、设计目的------------------------- 1
二、设计任务与要求--------------------- 3
2.1设计任务------------------------- 3
2.2设计要求------------------------- 4
三、设计步骤及原理分析 ----------------- 4
3.1设计方法------------------------- 4 3.2设计步骤------------------------- 5
3.3设计原理分析---------------------- 8
四、课程设计小结与体会 ---------------- 11
五、参考文献------------------------- 12
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传感器技术课程设计
一、设计目的
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
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单相电流跟踪型逆变器
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。

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二、设计任务与要求
2.1设计任务
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
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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。

此外，要了解超声波的产生与传播及其原理，包括什么是超声波和超声波的传播特点，然后讲述了超声波传感器的结构与原理及其应用，包括压电效应，超声波直式换能器，超声波检测原理等。

2.2设计要求
（1）选择用超声波传感器测水流量的方法，即超声波流量计。

（2）知道超声波流量计的分类及应用特点。

（3）要求超声流量计精度要高、功耗要低，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以降低功耗。

（4）本设计采用时差法超声波流量计，掌握其原理，测量及应用特点。

三、设计步骤及原理分析
3.1设计方法
3.1.1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
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dQ 为
dQ=vdf (2.1) 根据式(2.l)，可求出流过横截面的体积流量
⎰=vdF Q (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 Q=vF (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
v=Q/f (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
G=QP （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。

3.1.2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。

3.2设计步骤
3.2.1 超声波换能器
单相电流跟踪型逆变器
超声的发射和接收，需要一种电声之间的能量转换装置，这就是换能器。

超生换能器，也即超声传感器，是超声流量计中的重要组成部分。

通常所说的超生换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件和装置。

换能器处在发射状态时，将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转化为机械能，再转化为电能。

3.2.2 超声波发射电路
超声波发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。

驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。

发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。

本设计中采用的是由单片机发出的方波，单片机P3.7输出方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。

另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联。

用以提高驱动能力。

上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74HC04AN 输出高电平的驱动能力。

另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间，下图为超声波发射部分电路图。

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图1 超声波发射电路
3.2.3 超声波接收电路
超声波接收器包括超声波接收探头、CX20106A 处理两部分。

超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，经过CX20106A 处理后产生负跳变，引起单片机的外部中断，下图为超声波接收部分电路图。

图2 超声波接收电路
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8 3.2.4 换能器的安装
换能器的安装选择V 型结构，如图4所示，V 型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在现在国际流行的两个换能器安装在同一侧的设计。

所以我们的换能器将采用单通道V 字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，单通道形式可以消除由双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中反射引起的对测量的干扰。

图3 换能器的安装 3.3设计原理分析
当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，而时差法超声流量计工作原理如图 4 所示，α 为流速方向和超声波传播方向的夹角，当 α 为锐角时，称之为顺流；当 α 为钝角时，称之为逆流。

超声波信号在动态介质(流体)中，与静态介质(流速为零)相比，顺流时信号传播速度增加，传播时间减小，同样逆流时超声波信号传播速度减小，传播时间增加，从而顺逆流方向超声波信号传播时间存在一个差值(即时差)。

时差法超声流量计就是根据介质的流速与时差存在
一定的线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，计算出时间差，再根据流速与其线性关系，可以求出瞬时流速，进而可以求出瞬时流量以及累积流量。

图3.1中，S1、S2 分别为两个超声波换能器，V 为液体流速，D 为管道直径，θ 超声波进入液体的入射角。

t1 为换能器 S1 发射、S2 接收时，超声波在管道中传播时间，即顺流时间；t2 为换能器 S2，S1接受时，超声波在管道中的传播时间，即逆流时间。

图4时差法超声流量计原理
超声流量计顺流时间 t1 和逆流时间 t2 分别用下式计算，即
τθθ++=sin cos 1V C D t （3.3.1）
τθθ+-=
sin cos 2V C D t （3.3.2） 其中 C 为超声波信号在水中的声速，τ 为信号在换能器及硬件电路中的时间延迟。

设Δ T 为顺逆流时间差，则
θθθθθθ22212sin tan 2sin cos sin cos V C DV V C D V C D
t t T -=+--=-=∆ （3.3.3） 因常见液体中声速要大于1000m/s,而液体流速小于10m/s,
即C 2 >> V2,所以(3.3.3)式可以简化为
V C D T 2tan 2θ=∆ （3.3.4）
T D C V ∆≈θtan 22 （3.3.5）
通过(3.3.5)式可求出瞬时流量，
T K DC V D K T f S K V S K Q ∆≈=∆⨯=⨯⨯=θππtan 841)(1122 （3.3.6 ）
式(3.3.6)中，K 为流速分布修正系数，S 为管道截面积，D 为管道直径。

由于在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布，它是通过多很直线之末端的一根曲线(或曲面)。

这些直线沿着直径(或横截面)各个点上画出来的，它们平行十管道轴线并且在长度上比例于各点的轴向速度。

如图 5
图5 (a) 理想流体流速分布 (b) 实际流体流速分布
根据管内的流动状态不同，管内流体的流速分布主要有两种模型，分别为层流流动和湍流流动。

在层流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个抛物面;在湍流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个指数曲面。

典型的管内流速分布，是指管内流体
通过足够长的直管段后形成的，并非管内流动都是这样分布的。

一般情况下，由于各种干扰，管内流速分布总是要偏离典型的流速分布响。

这正是许多流量计需要足够长的直管段的根本原因。

对于流速分布修正系数K值，也可以采用经验算法, 本文设计的流量计是用在家庭水流量的计量，家用自来水的流速相对较小为了简化计算，本次设计中流量修正系数K统一取4/3。

四、课程设计小结与体会
通过本次课程设计，我了解了超声波的一些基础知识，时差法测流量的基本原理。

在课程设计的实验过程中，我遇到了不少的困难，主要集中超声波收发电路的理解，以及计时器以及切换电路的设计，经过同学和指导教师的帮助我总算是完成了实验，由此可见我在设计上确实存在不足，以后需要进一步提高。

本次课程设计让我回顾了以前学习到的各种知识，锻炼了动手能力和团队合作能力，是对今后走出学校步入工作岗位的一次对基础的巩固，对于以后找工作是相当有帮助的经历。

五、参考文献
[1] 荆刚.超声波流量测量关键技术研究［D］．青岛：山东科技大学，2007.6.
[2] 吕云飞.相位差法超声流量计技术的研究「D].哈尔滨:哈尔滨工程大
[3] 陈强. 超声波流量计的流速测量的研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，
[4] 姜勇．时差法超声波流量计设计与研发[D]．杭州：浙江大学，2006.。