相位差法超声流量计技术的研究Word格式.docx
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式中,rx是管道中心的径向距离;
Vx是距管道中心rx处的流速;
Vma、是管
道中心的最大流速;
R是管道半径;
n是随雷诺数不同而变化的指数。
夕平灼流谏.
记为V,,,其数学表达式为
对于圆管,将yr代入式(2-10),得层流状态下,圆管内中心轴方向上的平
均流速
2.2.4速度分布的影响及修正
流量的测量需要考虑到速度分布的影响。
时差法从原理上看是测量超
声波传播途径上的平均流速,其测量所得到的值也只应是管道中心轴线方
向的线平均值。
这一线平均值是否能正确反映流通截面上的流速,对于测
量的准确性是有影响的。
确切的说,测量用的超声波能遍历整个截面的面
平均值才能真正反映出流量,而线平均与面平均的差异,正是取决与流速
的分布情况。
对于流速小的层流情况,圆管内的流速分布属抛物面分布,其面平均
流速是最大流速的二分之一,而由采用线平均方法的流量计测量的值一般
是表示最大流速值的三分之二。
因此,用超声流量计测出的流量是真正流
量的三分之四倍,这个关系在流体层流动的范围内,即雷诺数Re约2320
以下的场合可以保持一定,即可经过简单的修正而获得准确的结果。
可是在流速大的湍流情况下,与流动截面有关的流速分布因雷诺数Re
变化而异。
随着Re的增大,流速分布近似与均匀分布。
因此,当用超声
波流量计测量包含有中心的途径上的平均流速值vd时,将它与截面平均流
速v之比称为流量修正系数k,k的值可以作为雷诺数Re的函数表示出来。
在流速分布按对数规律分布时,可用下式表示
、一生一1十0.01丫6.25+431Re-0-2"
(2-15)
V
但由于上式利用了尼库拉兹的摩擦系数,在Re为10,以下的范围内需要利
用布拉修斯摩擦系数加以修正,或者也可以用简单的实验式
k=1.119一0.01l1gRe(2-16)
来表示。
2.3传播时间差法基本原理
时差式流量计是在被测管道上有选择的发射顺流或逆流脉冲超声波信
号,接收到信号后,计算出顺流和逆流传播的时间差、流体静止时的传播
时间,就可以求出管中流体的流速。
图2.1为夹装式时差法超声波流量计
的测量原理,61为超声波在声楔中的入射角,02为声波在管壁中的折射角,
户万‘
图2.1夹装式时差法测量原理
q1为声波在被测流体中的折射角;
超声波在静止流体中的声速为C;
流体
的流速为vl;
忽略声波在声楔、管壁及处理电路中的时延Zf设管道的内
径为d,那么超声波在顺流传播时通过被测流体所用的时间t,与逆流传播
时所用的时间t2分别如式2-17和式2-18所示:
t,-d丽(2(c+v.,.sinB;
)cos9;
一17)
即可以得到平均流速
c△t
v.=—·
—‘艺一艺1.
乙sin热11
给据snell公式0l与0,有如下关系
手1.1=共-(2-22)
sin0,sin
式2-10中c/..为声楔中的纵波声速。
将式2-22代入式2-21中便可以得到
c’et___、
v,二一一二二上一·
二二几(2-23)
2sin召不
可以看出式2-21中已取决于流体中实际的声音传播速度c,当被测流体
的工况(压力、温度等)发生变化时,声波传播速度也会发生变化,这项参
数也随之改变,因而给计算引入了较大误差。
用公式2-23进行计算则不
同:
召为一固定值;
c,,。
随工况变化而变化的程度显然远小于被测流体中c
的变化,因而用公式2-23求得的结果消除了被测流体声速变化与折射角
变化对测量的影响,比使用传统公式求得的结果要精确得多。
2.4利用相位差法测量传播时差
相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系
△尹二2;
cfAt(2-24)
通过测量顺流、逆流两个方向接收波的相位差△p来实现流速vl的测量,
这里1.为超声波信号的频率。
2.4.1相位差的测量
流体中顺流和逆流传播的时间差这里采用相位法来测量。
利用顺流方
向和逆流方向的接收信号之间存在的相位差来测量流体中顺流和逆流传
播的时间差。
测量开始时发射一个长脉冲信号,这个长脉冲内填充多个信号频率为
f的正弦波,通过流体后的接收信号Vr如图2.2中所示,将yr信号送入过
零检测器得到方波信号VJ,构造一个与接收信号频率相同的参考信号VII/9
味的相位与vd的相位相差约为900。
参考信号喻和过零检测得到的信号
U,求异或得到信号VII。
设计一个上下行计数器,这个计数器的时钟信号频
yr叫一_用甘肛阻肌肛讯川州州甘眼盯眼朋且田
图2.2相位测量示意图
率为.f.,IJx信号的频率要比发射信号的频率高的多,当信号vx为高电平
时,上下行计数器上行计数;
当信号vx为低电平时,上下行计数器下行计
数。
流量计进行流量测量时,每次测量都要顺流方向发射一个长脉冲信号,
再逆流方向发射一个长脉冲信号,将顺流和逆流的接收信号与相同的参考
信号吮求异或。
在参考信号vre/的N个周期内,顺流方向发射时,上下
行计数器的输出为n,2;
逆流方向发射时,上下行计数器的输出为n2,。
则
可以得到顺流方向和逆流方向传播的时间差
(n2。
一n,2)
et=竺卫七二二i,(2一25)
4峨
将上式带入到式2-23中便可以得到线平均流速。
当流体静止时,如果构
造的参考信号临与信号V,的相位差恰好为900,顺流方向和逆流方向接收
信号的相位差为零,上下行计数器的计数结果相等,即n2,=n,2,只有当
管道中的流体流动时,上下行计数器的最终计数结果才会有差值,利用这
个筹值可以计算时间差和相位差。
在构造参考信号临时,要保证它与信号《,的相位差大致为900。
当参
考信号vl}I与信号vd相位差为零时,如图2.3所示,信号vx一直为低电平,
上下行计数器只有下计数;
同理当相位差为180’时,信号K一直为高电平,
上下行计数器只有上计数。
如果构造的参考信号心与信号玲的相位差不是90。
左右,而是靠近00
或1800,那么当管道中液体有流速时,信号K中将会出现很尖的脉冲,当
脉冲的宽度很小时,上下行计数器很难计到这个短脉冲,计算流量时会引
xAt日,任尸以1Y
Vr州价粉讲形讲舟价舟七一
:
,田飞几且卫川-几川丁几丁习-日飞几几_
‘旧几几几月丁」~卫丁甘七几日丁」几几
Vr
图2.3相位差为零时玲和喻的关系
2.4.2相位差法的优势
早期的时差法超声波流量计只发射一个短脉冲,采用跟踪接收到的超
声波最大峰值来检测到达超声波信号,得到顺逆流的传播时间,将两个传
播时间相减得到传播时间差,并进行流量计算。
这样,当超声波通过管壁
和流体发生形变,或干扰信号较强时,容易发生超声波信号检测错误进而
造成流量测量错误。
本文中采用相位差法超声波流量方法,发射的是一个长脉冲,接收方
波是由接收的模拟信号通过过零检测器得到的,因此可以防止信号幅度的
跌落。
顺逆流的传播时间差不是有两个到达时间决定的,而是由两个接收
信号与参考信号的相位关系决定的,这个相位关系与测量的信号到达时间
无关。
接收信号与参考信号的相位关系是通过一个上下行计数器计得的。
这个计数器的时钟频率相对于接收信号的频率要高得多,计数是多个周期
的平均,相移的分辨率会相当的高,因此有能力区分相移的微小差别。
2.5本章小结
本论文研究的相位差法超声流量计是一种高精度夹装式非介入流量
计,它利用长脉冲信号来确定流速。
本章首先从流量测量的基础出发,介
绍了流速、流量等基本概念,进一步介绍了在不同流量条件下,流体流速
的分布情况和流速与流量的关系。
专门针对时差法超声流量测量进行了讨
论,分析了圆管中心轴方向上的平均流速与整个界面上的平均流速之间的
定量关系,给出了在不同流速条件下计算流量的修正公式。
接下来详细推
导了时差法超声流量计的测量原理,提出了利用相位差法来确定时间差的
方法,即发射长脉冲信号,测量出超声波信号顺流方向和逆流方向传播的相位差,就可以得到时间差。
本章主要讨论了两个方面。
一方面是流量测中的一些概念和参数间的
关系;
另一方面是时差法流量测量的原理,利用信号间的相位差测量时间
差。
第3章系统硬件设计
3.1引言
此套流量计的硬件部分分为两个部分,电路系统和超声波换能器。
硬
件电路系统中由控制电路产生一个触发信号,由计数器电路产生顺流方向
的长脉冲发射信号,经过放大驱动超声波换能器,超声波换能器发出的超
声波穿过管道中的流体,另一个超声波换能器将超声信号转化为电信号,
接收放大电路将小信号放大到可检测的幅值,由过零检测器和峰值检测器
形成数字信号送至计数器电路,计数器电路得到顺流方向接收信号的到达
时刻,计算出顺流方向接收信号与参考信号的相位差。
接着在逆流方向发
射一个同样的长脉冲超声信号,得到逆流方向接收信号的到达时刻,逆流
方向接收信号与参考信号的相位差;
完成这组测量后,控制电路进行流速、
流量的计算,并可由液晶显示屏进行实时显示。
得到的流速数据还可以通
过串口输出,也可以模拟量的形式送到上位机,以便进行工业控制。
超声
波流量计的初始参数可以通过键盘进行设置,设置完成后可进行参数的存
储。
在本章中,将对电路系统中各个部分的设计思路、实现方法进行详细
的讨论,并根据实际情况选择超声波换能器。
3.2控制电路的设计
控制电路是电路系统中的重要组成部分,它的主要功能是完成流速、
流量、总量的实时计算和实时显示:
流量测量时参数的设置、调用、存储;
流量、总量数据的输出。
控制电路中的主要器件是CYGNAL公司的
C8051F120型单片机。
下面首先介绍一下C8051F120型单片机。
3.2.1C8051F120型单片机〔,,
C8051F120型单片机是CYGNAL公司生产的高速混合信号ISPFLASH微
控制器,工作电压为3.3V,内部结构见图3.1.C8051F120系列器件使用
CYGNAL的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51T.指令集完全兼容,
可以使用803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有构相比指令的执行速度有了很大的提高。
C工P-51工作在最大系统时钟频
率25MHz时,它的峰值速度达到25MIPSo
C8051F120系列MCU(MicroprogrammedControlUnit)在CIP-51内核
和外设有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51内核提供20个中断源,允许大量的数字和模拟
外设中断微控制器。
MCU有多达7个的复位源,片内有一个独立的时钟发
生器,也可以切换到外部时钟振荡器。
CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
C8051F120中的C1111-51
另外还有位于外部存储地址空间的8K字节的RAM,128K字节的FLASH程
序存储器。
C8051F120系列MCU具有片内JTAG边界扫描和调试电路,通过4角的
JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式
的、全速的在线系统调试。
C8051F120系列MCU除具有标准的8051端口,还有4个附加的端口,共有64个通用端口工/0,每个端口1/0引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输
出。
在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止,这为低功耗应用提
供了进一步节电的能力。
可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。
这是
一个大的数字开关网络,允许将内部数字系统资源映射到P0,P1,P2和P3
的端口1/0引脚(见图3.2)。
与具有标准复用数字1/0的微控制器不同,
这种结构可支持所有的功能组合。
可通过设置交叉开关控制寄存器将片内
的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出
以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口1/0引脚。
这一特性
允许用户根据自己的特定应用选择通用端口1/0和所需数字资源的组合。
C8051FI20MCU中包含有乘累加器,它可以较快速的进行许多数学运
算;
除5个通用的16位计数器/定时器之外,片内还有一个可编程的定时
器/计数器阵列印以);
内部有两个增强型全双工的UART,SPI总线和
SMBus/厂C;
片内有一个12位SARADC,9通道输入多路选择开关和可
编程增益放大器,该ADC工作在最大采样速率100ksps时可提供真正的12位精度。
片内还有一个12位SARADC,8通道输入多路选择开关和可
编程增益放大器,最大采样速率为500ksps;
内部有两个12位的DAC和
两个比较器,比较器的回差电压可以用软件编程。
3.2.2控制电路的设计
C8051F120系列MCU中有64个通用端口1/0,这64个I/0端口可以利用数
字交叉开关进行配置。
由于大量的数字资源需要通过4个低端1/0端口P0,
111,I'
2和P3才能使用,P0,P1,P2和P3中的每个引脚既可定义为通用
的端口工/0(GPIO)引脚,又可以分配给一个数字外设或功能(例如:
UARTO
或/INT1),因此将外部存储器接口配置在端口P7,P6,P5和P4。
这样就
可以利用P0,P1,P2和P3中的引脚方便的控制外设。
管脚P0.0,P0.1
管脚接RS-232串口;
管脚P0.2,P0.3接液晶显示模块;
管脚P0.4,P0.5
控制单次的流速测量,当管脚P0.4为高电平时,开始测量,测量结束时管
脚P0.5产生一个短脉冲,通知MCU测量结束,MCU取出计数器计得的数据,
进行流速、流量等计算;
管脚P0.6,P0.7,P2.3接键盘控制芯片;
管脚P2.0,
管脚P2.1接串行的EZPROMAT24C5120
外部存储器接口配置在端口P7,P6,P5和P4,访问外部存储器时,采
用的是非复用操作方式,即数据总线和地址总线是分开的。
如图3.3所示,
A[15:
0]是16位的地址总线,D[7:
0〕是8位数据总线,/WR是写信号,/RD
是读信号。
16位的地址线可以访问64K字节的RAM,将寄存器EM工OCF.[3:
2]设置为‘01’时,RAM存储器空间被分成两个区域,即片内空间和片外空
间。
有效地址低于8K将访问片内RAM空间,有效地址高于8K将访问片外RAM
空间。
外部存储器接口的时序参数是可以编程的,这就允许连接具有不同
建立时间和保持时间要求的器件。
地址建立时间、地址保持时间、/RD和
/WR选通脉冲的宽度以及复用方式下信号ALE脉冲的宽度都可以通过EMOTC
和EMIOCF[1:
0〕编程,编程单位为SYSCLK周期。
在非复用方式下访问片外
RAM时,读写的时序如图3.4.
C8051F120MCU集成了两个片内12位电压方式数/模转换器(DAC)。
每个DAC的输出摆幅均为OV到(VREF-1LSB),对应的输入码范围是0x000到
OxFFF。
可以用对应的控制寄存器DACOCN和DACICN使能/禁止DACO和DACIo
在被禁止时,DAC的输出保持在高阻状态,DAC的供电电流降到1wA或更小。
每个DAC的电压基准在VREFD引脚提供,选择的基准电压为++3.3V。
每个DAC
都具有灵活的输出更新机制,允许无缝的满度变化并且支持无抖动输出更
新。
将DACO和DAC1的输出电压进行反相放大,接到压控放大器VCA610,调
节接收信号的放大量,进行自动增益控制。
在C8051F120MCU片内集成了位于外部存储地址空间的8K字节的RAM,
128K字节的FLASH程序存储器。
这8K字节的RAM和128K字节的FLASH程序存
储器对于流量计系统来说,进行程序存储和数据的运算己经足够,因此不需要再加RAM和FLASH存储器。
但是流量计为了使用的方便必须要存储一些
数据,这些数据在系统断电后仍能保存。
如流量计测得的总量、流量、流
速等数据需要保存起来,在下次测量时可以继续使用这些数据;
用户在测
量之前设定的管径、壁厚等参数,可以保存为一个设置,在用户下次使用
时可以方便的调用这个设置,避免了重新设置的麻烦。
这些数据的数据量
不大,存取速度要求不高,根据系统的需要,在电路中加入了双线串行的
E,ROMAT24C512aAT24C512可以在工作电压+3.3V下读取和写入数据,
4片AT24C512可以共用两条总线,容量为512K字节。
AT24C512EzPROM操作简便,存储容量较大,满足流量计存储数据的要求。
图3.6的电路中SCL
脚是串行时钟输入管脚,在SCL的上升沿数据输入,下降沿数据输出,SC1.
的最高频率可以达到400kHz;
SDA管脚是串行双向的数据管脚;
A0,A1是
器件的地址输入管脚,两管脚悬空,相当于接地,即地址为OOo
C8051F120MCU包含一个可编程内部振荡器,该振荡器在系统复位后被
默认为系统时钟。
内部振荡器的频率为24.5MHz,这个频率不方便进行串
口通信,因此要切换到外部振荡器。
外部振荡器的频率为11.0592MHz,经
整数倍分频后便可以方便的得到所需的串行时钟频率。
从内部时钟振荡器
切换到外部时钟振荡器,只要向寄存器OSCXCN、CLKSCL,OSCICN写入十
六讲*il扮6、01、00。
3.3计数器电路的设计
计数器电路主要功能有两个方面:
一是根据顺逆流的接收信号测得超
声波的传播时间,顺逆流信号的相位差;
二是产生发射信号的激励信号。
在MCU置管脚P0.4为高电平以后,计数器电路能够独立的产生发射信号的激励信号,并测量顺逆流接收信号的到达时间和相位差。
完成测量后,
产生一个短脉冲,送到MCU的P0.5脚,通知MCU测量结束,可以读取
到达时间和相位差。
为了更准确的测量顺逆流接收信号的到达时间和二者之间的相位差,
计数器的频率要求很高。
如果采用分立元件设计计数器电路,不仅电路规
模大,而且电路中的每一个元器件都要求具有很高的频率特性,这样势必
会增加成本和设计的难度。
而采用可编程逻辑器件FPGA,只需一片就可
以完成上述的两个功能,而且利用VHDL语言对FPGA进行软件编程可以方
便的改变电路所要实现的功能。
下面对FPGA作一简单介绍。
3.3.2利用FPGA设计计数器电路
根据FPGA所要完成的功能,设计了FPGA电路,其大致功能如图3.8.
这里FPGA选用的是Altera公司的EPF10K30ATC144-1,它的工作电压为
+3.3V,可利用的1/0管脚个数为102个。
FPGA中主计数器是一个16位
的计数器,它的时钟频率为50MHz。
相位差检测器是一个8位的上下行计
数器,它的时钟频率为50MHz。
所谓“上下行”是指这个计数器在某一控
制信号为高电平时,时钟信号的上升沿到达时计数结果加1;
控制信号为
低电平时,时钟信号的上升沿到达时计数结果减1。
辅助计数器是一个8
位的计数器,时钟信号时接收信号。
内部逻辑控制电路控制这3个计数器,
图3.8计数器电路功能框图
参考信号发生器利用48MHz的信号产生与接收信号同频(2.4MHz)的参
考信号,参考信号的相位大约滞后接收信号900o
发射信号控制器是以分频器输出为输入的信号,控制发射信号的脉冲宽度。
发射脉冲的宽度即脉冲内填充频率为2.4MHz信号的个数,这个个
数存放于数据存储器中,发射时只要调用这个参数。
这个参数是控制电路
在初始化计数器电路时写入数据存储器的。
接收信号识别器是在开门时间后,判别信号是否到达。
开门时间是控
制电路在初始化计数器电路时写入数据存储器的一个参数,在开门时间之
前,认为没有接收信号;
开门时间之后,接收信号识别器进入检测状态,
当接收信号到达时,开始相位差检测。
设置开门时间主要是为了防止电路
中发射信号的串扰和沿管壁传播信号的干扰。
顺逆流控制器选择发射和接收是顺流方向还是逆流方向。
当发射信号
选择顺流方向时,接收信号也选择到顺流方向。
晶振1、晶振2的频率分别为f二50MHz和几二48MHz。
晶振1产生
的50Mliz信号作为主计数器和相位差检测器的时钟频率。
晶振2产生的
48Mllz的信号经过20分频得到2.4MHz的发射信号和接收参考信号。
要达
到更高的测量精度,显而易见就要提高晶振1、晶振2的输出频率,当晶
振1的频率提高时,接收信号到达时间和顺逆流接收信号相位差的测量就
会更加准确,当晶振2的频率提高时,便能够更准确的产生参考信号。
目
前市场上出售的晶振的频率已经能够达到100MHz,但l00Mllz的晶振为直
插式,体积较大,本论文设计的超声流量计系统
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- 相位差 超声 流量计 技术 研究