1、 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 47 页 超声波流量计 系统的设计 樊 伟 佳 （ 陕 西 理工 学院 电信 工程 系 电子信息工程 专业 ,2012 级 1 班，陕西 汉中 723004） 指导教师： 秦伟 摘要 超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表，并且 以 其 非接触式的测量、高精 度等特点在工业生产、医药、水资源等领域有着广泛的应用。本设计 利用 时差法超声波流量计原理 ， 针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响 。 设计系统 时选择了一些基本电路 设计了以下电路： 超声波发射电路，超声波接收电路， LED
2、 显示电路 ， 主从单片机电路， 电源电路以及存储电路 等 ， 成功实现了瞬时流量的测量与辅助功能的实现 ， 总的来说，本次设计的超声波流量计具有 精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等 特点。另外， 本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量 ,适合 测量 的 流体：水或其它杂质较少的液体 ,管径或明渠宽度： 0.3 20m,流速： 0.1 12m/s。 关键词 超声波流量计；单片机；时差法； The Design of Ultrasonic Flow Meter System Fan Weijia (Grade 04,Class 1,Major electronics and i
3、nformation engineering， Electronics and information engineering Dept.， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， Shaanxi) Tutor: Qin Wei Abstract: Ultrasonic flowmeter is the use of ultrasonic wave propagation characteristics in the fluid to measure the flow rate measuring instruments, and
4、its non-contact measurement, high accuracy and other characteristics in industrial production, medicine, water and other fields have a wide range of applications. This design uses the principle of transit-time ultrasonic flowmeter, ultrasonic flowmeter for measurement accuracy easily affected by tem
5、perature problems using the improved algorithm to avoid the effect of temperature on the measurement accuracy. Design system selected some basic circuit design of the following circuits: ultrasonic transmitter circuit ultrasonic receiver circuit, LED display circuit, master-slave microcontroller cir
6、cuit, power circuit and a memory circuit, successfully realized its measurement and accessibility of instantaneous flow, Overall, this design ultrasonic flowmeter has high accuracy, wide measuring range, easy installation, simple test operation. In addition, this ultrasonic flowmeter design suitable
7、 for pipes and open channel flow measurement, suitable for measuring fluid: water or other impurities, less liquid, open channel diameter or width: 0.3 20m, flow rate: 0.1 12m / s. Key words: Ultrasonic flowmeter; single chip microcomputer; time difference method; 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 47 页 目录 1 引言 . 4
8、 1.1 选题的目的及研究意义 . 4 1.2 国内外研究现状 . 4 1.3 论 文研究的主要内容 . 5 2 设计方案及工作原理 . 7 2.1方案一 . 7 2.1.1 多普勒超声波流量计 . 7 2.2方案二 . 8 2.1.2 传统时差法 . 8 2.1.3 改进时差法的原理和优点 . 9 2.3方案确定 . 9 3 时差法超声波流量计的总体设计 . 10 3.1 超声波换能器的结构及原理 . 10 3.2 超声波换能器安装方式简介 . 10 3.3时差法超声波流量计测量原理及影响测量的主要因素 . 11 4 时差法超声波流量计的硬件电路设计 . 14 4.1整体硬件系统设计框图 .
9、 14 4.2超声波发射电路设计 . 14 4.3超声波接收电路设计 . 15 4.4超声波顺逆流发射和接收控制电路设计 . 17 4.5计数电路的设计 . 17 4.6 LCD12864显示电路设计 . 18 4.7 参数输入电路设计 . 19 4.8 主从单片机之间的电路设计 . 20 4.8.1 单片机的选择 . 20 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 47 页 4.9 电 源电路 . 21 4.10 存储电路 . 22 5 系统软件设计 . 24 5.1主单片机软件设计 . 24 5.2从单片机程序设计 . 24 5.3主从单片机之间总体设计 . 25 5.4 INT0 中断服务子
10、程序设计 . 26 5.5 键盘子程序 . 26 5.5.1 键盘扫描主程序流程图 . 26 5.5.2 按键预处理子程序流程图： . 27 5.5.3 键值处理子程序流程图 . 28 5.6超声波换能器收发射电路控制子程序设计 . 29 6 系统误差分析 . 31 6.1 数据结果 . 31 6.2 误差产生因素 . 31 6.2.1 管径 . 31 6.2.2 声 束进入流体介质的折射角 . 31 6.2.3 传播延时 . 31 6.2.4 流体的纯净度 . 32 6.2.5 系统硬件的性能 . 32 7 系统软件的仿真和调试 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附件一：电路图
11、. 36 附件二：主单片机程序 . 37 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 47 页 1 引言 1.1 选题的目的及研究意义 由于目前国内还有大部分的液体流量计是用传统的接触式测量法，但是接触式流量流速测量具有十分明显及普遍的缺点：受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响十分大，并且难以检 测到强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质流量的测量，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为传统接触式流量计会随着测量管径的增大会带来制造和运输上的十分困难，关键是造价的提高、使用能量损耗加大、安装维护困难等等因素使得厂家们与顾客急于寻找一种新的流量测量方法来减少种种环
12、境或材料等因素对测量的影响。 本设计主要通过对超声波在水中的传播特性、超声波传感器工作机理分析设计一种基于超声波测量原理测量流量的仪器，并且针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测 量精度的影响，使得本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量 ,测量流体：水或其它杂质较少的液体 ,管径或明渠宽度： 0.3 20m,流速： 0.1 12m/s。 超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可 以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它 测量 液体的准度很高，基本 不受被测 量的 介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能 解决 的 介质有 非导
13、电性、 放射性、易燃易爆等的 流量测量问题。 众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般 的流量计 跟着 测量 管径的增大会带来 制造和运输上 面 的 各种困难，造价高、耗能大、不好安装 ， 这些缺点，超声波流量计都可以完全避免。 是 因为各种的超声波流量计都可以在 管 道外安装、不用 接触被测物即可测流，仪表的造价与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计都会 因为 口径 的增加，造价也在提高 ，所以被测管道 口径越大 ，超声波流量计比 其它类型流量计的功能价格比越优越。被大家广泛认可。 另外，超声测量仪表的流量测量准确度基本 不受被测流体温度、压力、粘
14、度、密度等参数的影响， 而且又可制成非接触及便携式测量仪表，所以可解决其它 仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射 性及 易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再加上合理的电路，一台仪表可以适应各种管径测量和各种 范围 的 测量。 而且 超声波流量计的适应能力 也很强 。 因为超声波流量计具有上面提到的 优点 因此它越来越被 重视 起来 并且向 商业产品方向发展，现已制成各种各样的，比如：标准型、高温型、防爆型 仪表以适应 不同情况下 的流量测量。 因此，设计一种结构简单、价格低廉的超声波流量计是非常必要的。 1.2 国内外研究现状 1955 年，世界上第一台超声波流量计在美
15、国诞生，它使用的技术就是“环鸣”时差法，用于航空燃料油流量的测量。开启了 超声波时代，是测量技术的一大突破。上世纪七十年中后期，集成电路的飞速发展使得高精度的时间测量成为可能，外加高性能、工作稳定的锁相技术（ PPL）的出现和应用，超声波流量计的可靠性能有了基本保证。 20 世纪 90 年代后，新材料工艺的不断涌现，智陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 47 页 能化处理技术的发展，使超声波流量计的应用范围获得扩展。天然气工业的发展，更是促进了超声波流量计的使用和推广。当前全世界 50 多家较大的超声波流量计生产商都集中于欧美日等国家，其中处于领先水平的有没美、荷兰、德、加拿大等国家，这些国
16、家的经验、电子技术、工业生产都处于优势。著名的有 美国的 Controlotron 、 Ploysonics，德国的 Krohne，荷兰的 Instrormet 及日本的横河。我国在 60-70 年代， 机械工业部上海工业自动化仪表研究所、北大研究所相继开始研究。 90 年代初估计为 8000-10000 台。 94 年正式出版了中国计量科学院，组织有关专家起草，分别经国家技术监督局建设部批准的“ JJG”198-94 速度试流量计的国家计量检定规程 JJG(建设 )0002-94 超声流量计的部门计量检测规程。这是中国历史上超声波流量计发展的一个重要标志。我 们 国 家 的超声波流量计的 研
17、究技术水 平相对于来说还比较落后，但在经济水平不断提高，综合国力不断的增强 下， 对于超声波流量计的 研究技术水平也在不断地突破 ，在目前中国的节能减耗、可持续发展的体制下， 我们将超声波流量使用在重油，天然气，水等宝贵资源的测控 上。 近几年来，由于数字信号处理技术和微处理器技术的迅速发展以及新型换能器 材料与工艺 制作的研究，还有声道配置及流体动力学的研究，超声波流量计的研究技术取得了很大的成果 ， 所以它的发展前景是很 广 阔的 。 超声波流量计已经快速发展为流量测量方面的第一选择 。虽然 超声波流量计测量技术已经发展很久 ，但是其应用范围比较小 ，但是随着科学技术水平的不断提高，国家企
18、业的快速发展，需要用超声波流量计测量的领域越来越多。超声波流量计的发展前景在中国非常可观，在供水系统、工业生产、电力、天然气等众多领域都需要用到超声波流量计。超声波流量计在未来的发展过程中，技术将会不断地提升，精确度业依然会不断精确。因此，超声波流量计的设计也尤为重要。超声波流量计无论是在技术上还是在经济上都是流量计测量的理想选择，通过多光束和数字信号处理，超声波测量仪可以实现很高的测量精确度，。与传统的涡轮式仪表不同，它没有移动的原件，因此，它几乎不需要维修，它能够 准确的测量到液态石油气产品的宽频，而不需要像机械型技术那样得到验证。高灵敏度可以检测到管道中的任何漏洞，及其细微微小的漏洞也会
19、发现和不放过。中国是发展中国家，是科技与经济不断发展的国家，超流量计在我国有很大的发展和上升空间。中国的能源也比较匮乏，尤其是石油天然气，将在未来石油管道运输的过程中，非常需要这种超声波流量计测量，以防止泄露和破裂，同时也可以促进节约能源，进行可持续发展。 1.3 论文研究的主要内容 本文通过充分调研并查阅大量文献资料，选择 时间差法超声波流量计，主要研究内容如下： 1.超声波传感器的 技术指标及使用方法（拟选择使用最广泛的压电型超声波传感器，选取两个收 /发型超声波探头）； 2.超声波探头的安装方式对比选取（ Z 型、 V 型、 W 型），拟选择 V 型安装方法； 3.时差法超声波测流量的原
20、理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，采用改进型算法将温度影响在理论上消除； 4.单片机芯片的选择，要求低功耗、低价格、芯片的功能能满足本设计的所有要求； 5.自检报警模块：拟采用蜂鸣器进行报警，对流量低于或高于规定阈值进行报警； 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 47 页 6.数据处理模块：要求满足不低于 B 级精度 ，也可以考虑多组测量之后进行处理，如 选择求取算术平均值作为最终测量结果； 7.测量结果显示模块设计：拟选择 LCD12864 显示 模块； 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 47 页 2 设计方案 及工作原理 超声波流量计 有 很多种类 ， 其中应用最广泛
21、的是 多谱勒超声 波流量计，另一种是 时差法超声波流量计。 2.1 方案一 2.1.1 多普勒超声 波流量计 多普勒超声流量计是 一种 利用多普勒效应 而进行测量的流量计 ,它是利用超声波在 流体中 有气泡 或者悬浮微粒时，超声波在传播过程中被流体气泡或者悬浮微粒 反射 从而发生频移的多普勒效应来测量的，它只适合在含有 杂质微粒或气泡的流体中进行测量 。 多普勒超声流量计 可 以 测量的 对象只有 非均匀流体， 比如：生活污水、工业废水、机油、重油。适用 管道材质包括 金属、橡胶和塑料等， 测 速范围可达到 16m/s,使用管径达到 3 米，测量精度达到B 级。由于 适用范围广，测量精度高，因
22、此被广泛认可，目前国也有比很多的厂家生产此类流量计 。 多普勒 (效应 )法超声波流量计是利用在静止 (固定 )点检测从移动源发射声波而产生多普勒频移现象 。 图 2-1 多普勒超声波流量计测量原理 如图 2-1所示，超声探 头 A向流体发出频率为 fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移 fd，接收探头 B收到频率为 fB的超声波，其值为 ： c o sc o scf vcc vf AB （ 2-1） 式中 v一散射体运动速度。 多普勒频移 fd： cvfffAABd s in2f （ 2-2） 测量对象确定后，式 (2-2)右边除 v外均为常量
23、，移行后得 ： Adffv cos2 c （ 2-3） 水流 TSA TSB D 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 47 页 2.2 方案二 时差法超声 波流量计 时差法超声波流量计的 测量 原理是利用 了超生波在流体中顺流传播速度和 逆流传播速度 的不同会引起超声波的传播时间不同 ，根据传播时间 的 差 值来测量流体的速度从 而计算出 流体的 流量 。 但其自身也分为两种不同的方法：传统时差法和改进时差法。 时差法 超声波 流量计可 以 测量的流体 为一些 均匀流体， 比如： 水、海水、污水、酸碱、汽油、柴油等 等。 管材 的适应能力也比较强， 钢 管 、铸铁 管 、有机玻璃、 PVD
24、管材、玻 璃钢管等 它都可以测量 ，由于测量 流体的 精 确 度高，测量 流体 的流量 范围 大， 所以 在大流量测量 系统中得到了重用 。 2.1.2 传统时差法 图 2-2 传统时差法测量原理图 流体的速度为 v，超声波在静止流体中的流速为 C，管径为 D，发射角度为， td为超声波在 传输过程中的误差时间总和，在 超声波顺流传播时，其速度为 c+vsin，所以 顺流时的传播时间： sincos21 vCdt +td （ 2-4） 在 超声波逆流传播 时，其速度为 c-vsin，所以 顺流时的传播时间 ： sincos22 vCdt +td (2-5) 顺流与 逆流的时间差为 ： 2222
25、1 s in4 vC d vtgttt (2-6) 所以： tdtgCv 42 (2-7) 流 体 速 度 v的计算与 超声波在静止流体中的流速 C以及 时间差 t有关，时间差的检查主要是通过设计的 计时器完成，而 超声波在静止流体中的流速 C受温度影响 比较 大，在不同的温度下 C不同，所以测量就有了很大的误差 。 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 47 页 2.1.3 改进时差法的原理和优点 图 2-3 改进时差法测量原理图 顺流时超声波在流体中的传播速度为： 1c o s2s in tdvC （ 2-8） 逆流时超声波在流体中的传播速度为： 2c o s2s in tdvC （ 2-
26、9） 两式相减， 2sin221 12 dtt ttv （ 2-10） dvQ (2-11 ) 此式中不含有声速 C，只要测出 顺、 逆流传播时间 t1 和 t2 即可，改进时差法避免了系统受温度的影响，从而提高了系统的测量精度。 2.3 方案确定 本设计利用时差法超声波流量计原理，针对超声波流量计测量精度容易受温度影响的问题，利用改进型算法避免温度对测量精度的影响。 另外，本次设计的超声波流量计适用于管道和明渠流量测量 ,适合测量的流体：水或其它杂质较少的液体 ,管径或明渠宽度： 0.3 20m,流速： 0.1 12m/s。 总的 来说，本次设计的超声波流量计具有精度高、测量范围大、安装方便
27、、测试操作简单等特点。 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 47 页 3 时差法超声波流量计的总体设计 3.1 超声波换能器的结构及原理 在本次设计中我们需要用到超声波换能器，那么什么是换能器呢？它是一种电与声之间的转换装置用来控制声波的发射与接收 。 是超声波流量计中 不可或缺的一个部分 。 它的原理是在发射时将电能转换为机械能再转换为声能，反之亦然。本次用到的超声波换能器主要是压电型。 压电型超声波换能器主要是靠 压电晶体的谐振来工作的 。其结构原理如图 3-1所示： 图 3-1 超声波换能器结构原理 图 超声波换能器实质上是一个超声频 电子振荡器，当 我们 把 电极板产生的电压 加到
28、 超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就会在该电场的作用下产生震荡 并带动谐振子振动，并推动周围介质振动 。这样就会把电能转换为机械能， 这种能量沿特定 方向传播出去，就形成 了 超声波。 反之亦然。 3.2 超声波换能器安装方式简介 现在大多数超声波流量计的安装方式均采用夹装式，即将超声波探头夹持固定，安装在被测管道的管壁上，对于单声道的流量计，其仅有两个超声波探头， 它的安装方法基本有 4 种 ， 分为： V法、 Z 法、 N 法和 W 法。（ NO 低功耗） 图 3-2 V 法安装示意图 V 法安装方法的应用次数是最多的，它有很多特点，比如使用简单 、测量准确，可 以 测 量的 管径范围为 20mm-3000mm 左右。安装时特别要注意将 两个 超声波探头 水平 方向对齐，要求它的 中心线与管道中心线要 成水平一线。安装示意图如 图 3-2 所示 。 当管道的管径超出范围 ，或 者流体中有杂物、管道有污垢或管道里衬特别 厚时， V 法安装就不能正常测量了，那么我们 就要选择 用 Z 法 进行 安装 了。如 3-3 所示，超声波在管道中 是进行直接传输的 ，不 会 发生折射。 谐振子 电极板 压电晶体
