摘 要:介绍了一种多声道超声气体流量计的电路设计。在该流量计中, 采用时差法测量管路中气体的线平均流速, 再利用加权积分的方法求得其面平均流速和流量。针对超声气体流量计的特点, 着重讲述了发射电路的设计, 以及各个声道之间如何有效的进行切换, 同时也对如何准确识别超声信号进行了讨论。
在利用超声波来测量气体流量时, 为了比较准确地反映气体的流速分布情况, 一般采用多声道的测量方法。在多声道超声气体流量计中, 声道的布置方式有平行、对角和网络方式, 每种方式可根据实际测量需要布置不同的声道数量。不同声道数目的超声气体流量计, 在单个声道上测流原理是一致的, 因此在具体电路实现上有很多类似的地方, 如超声信号的发射接收、超声信号的处理和识别等都可以采用同样的电路模块。将设计的电路在声道数量上进行适当的扩展, 然后在计算流速和流量时选择合适的加权积分方法, 就可以设计出不同声道数目的超声流量计。
1 多声道超声气体流量计的测量原理
对于单声道而言, 采用时差法测量流量。其测量原理如图 1(a) 所示, 由超声换能器 a 和 b 交替发射和接收超声波, 得到逆顺流传播的时间差为:
2 电路设计
系统采用了 ATMEL 公司的 AT89S51 微控制器(MCU) , 它是一种低功耗, 高性能 CMOS 8 位单片机, 片内含 4k BytesISP(In- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash只读程序存储器。系统的电路组成如图 2 所示, 主要由单片机及其外围电路、发射脉冲驱动电路、超声传感器切换电路、信号接收放大电路以及超声信号识别电路组成。
系统的工作流程为: ①系统上电复位后, 单片机向传感器切换电路发控制信号, 选择好某路超声换能器进入发射状态, 与之对应的那路超声传感器连接到接收电路; ②单片机发出一个单脉冲, 通过驱动电路后进入超声换能器, 使其发出超声波; ③过了一个预定的时间后, 单片机向超声波接收电路发控制信号, 使接收电路开始工作; ④所得超声信号经过放大后, 由超声信号识别电路识别出超声波信号的到达时刻; ⑤通过单片机选择其他的超声换能器进入发射状态, 然后重复步骤②到步骤④, 便可得到各个声道的时差数据; ⑥单片机利用这些时差数据以及多声道的流速和流量公式计算出流速及流量。
下面分别就发射脉冲驱动电路、传感器切换电路、超声信号接收放大电路和信号识别电路进行详细讨论。
2.1 发射脉冲驱动电路
根据超声波在气体中的传播特性, 选用 40KHz 的超声传感器。如图 3(a) , 选用 6N137 将发射电路与单片机进行光电隔离, 用 VMOS 场效应管 IRF840 作为开关元件, 用 ON 公司MC33152 芯片作场效应管的前级驱动。发射单脉冲前场效应管截止, 超声传感器的压电晶体被充电, 将电能转换成机械弹性势能贮存。当单片机的单脉冲到达时, MC33152 将该单脉冲电平提升至 15V, 使 IRF840 导通。此时相当于将超声传感器的两端短接, 压电晶体对地放电, 晶体弹性势能即转变为振动动能, 传感器发出超声波。单片机发出的单脉冲信号见图 3(b) 。
控制超声传感器压晶片的放电时间非常重要, 太短或太长都不能使晶片产生较大的振动幅度。驱动电路脉冲宽度与超声波探头频率之间存在一个最佳的关系值。根据频谱分析和实验,当脉冲宽度满足下式时, 可使传感器振动幅度最佳:
2πf0=3π/(2a)
其中 f0为传感器中心频率; 2a 为脉冲宽度。
在超声波气体流量计中, 超声波换能器频率为 40KHz 时,根据上式计算出的触发脉冲宽度应该为 37.5μs, 该脉冲宽度由单片机控制。
为了观察本电路发射出来的超声波, 将另一个超声传感器J 与本电路中的传感器 K 靠在一起, 用示波器观察传感器 J 两端的信号, 得到如图 3(c) 所示的波形。可以看出发射得到的超声波有 5～6 个周期的起振时间, 持续一段时间后又逐渐衰减。
2.2 超声传感器切换电路
超声气体流量计中的传感器都要用作发射和接收两用, 需要设计一个开关将传感器在发射电路和接收电路之间切换。本电路采用继电器来进行切换。通过继电器来实现切换的具体措施如下: 将超声传感器接至继电器的公共端。通过继电器常闭开关, 超声传感器便可以与接收电路连接在一起。当单片机的控制信号使继电器的开关切换后, 超声传感器便可以连接到发射电路上。
在控制继电器切换时应注意, 要使传感器有效的发射超声波, 需要一定的充电时间。所以开关切换之后, 要等待一段时间,这样也可以避免继电器切换对电路带来的干扰。
2.3 超声信号接收放大电路
超声波传感器接收到超声回波作用后, 其压电晶片因谐振而形成逐步加强的机械振动, 在两面出现交变的等量异号电荷。由于电荷量很少, 只能提供微小交变电压信号, 而不能提供电流信号。接收放大电路的任务是将这一微小交变电压信号充分放大, 滤除直流成份、去除各种噪声干扰。设计的接收放大电路如图 4 所示, 第一级为由 LF356 JFET 输入宽带运放组成的跟随器, 具有高输入阻抗, 可与超声波传感器相匹配, 进行电流放大;随后再进行两级电压放大, 使用 AD847 高速运放。
2.4 超声信号识别电路
图 5(a) 为本系统在对 50mm 管径中的气体测试时得到的回波信号, 对比图 3(b) 的回波信号, 可以看出超声波在气体中传播时, 受气体流动、温度变化以及其他干扰得影响, 会有不同程度上的衰减, 此时仅依靠设置某一固定电平来判断超声信号得到达时刻并不准确。本系统采用了回波过零检测的方式, 即以超声回波中的某一负半周到正半周( 反之亦可) 的交越点作为超声信号的识别依据。如图 5(b) , 通过两个比较器检测出超声回波的到达时刻和过零点时刻, 再利用双 J- K 触发器 74HC112对两个比较器的输出信号进行控制, 便可得到超声回波的过零点时刻, 以此计算出声时。
3 实验结果及讨论
为了检测该系统产生超声波的重复性, 将两个超声波传感器相距一定距离固定放置 ( 本实验对距离的精确度要求不高) ,在室温为 32℃时, 驱动两个传感器交互产生超声波, 并对超声波的传播时间进行计时。为了消除电路中的干扰, 在单片机的程序设计中, 根据两个传感器之间的距离, 预先设定一个传播时间的参考值, 当得到的声时数据与这个参考值有一个周期及以上的差值时, 认为是错误数据, 将其丢弃, 由单片机控制重做一次。
实验得到如下声时数据:
由表 1 中的数据可知, 发射出来的超声波有良好的重复性,对超声信号的识别也非常准确。由于本电路扩展灵活, 为不同声道数的超声气体流量计的实现提供了基础, 具有良好的通用性。
参考文献
[1]Isola M D, CanNIzzo M, Diritti M. Measurement of high pres-sure natural gas flow using ultrasonic flowmeters[J].Measure-ment,1997,20(2):75289
[2]Roosnek N.Novel digital signal processing techniques for ul-trasonic gas flow measurements [J]. Flow Measurement andInstrumentation, 2000, (11):89- 99
[3] 刘尚为.时差法多声道超声波流量计及其在引水工程中的应用[J].海河水利, 2005(5) : 30- 33, 41
[4] 杨媛, 高勇.CPLD 在超声波传感器驱动控制电路中的应用[J].西安理工大学学报, 2000(4) : 381- 383[ 收稿日期: 2006.7.24]
