許 會(huì)，閆增添

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量測(cè)量是應(yīng)用廣泛的測(cè)量物理量。在特殊情況下，如豎直油井等不易管道外置安裝探頭時(shí)，需要設(shè)計(jì)一種儀器設(shè)備對(duì)管內(nèi)安裝進(jìn)行測(cè)試流量。在實(shí)際情況中，由于探頭內(nèi)置在被測(cè)液體中，發(fā)射接收的波形會(huì)受干擾，所以本設(shè)計(jì)主要針對(duì)采用相關(guān)法原理設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)對(duì)液體流量進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量系統(tǒng)中流動(dòng)噪聲可利用傳感器檢測(cè)，而相關(guān)法測(cè)量延時(shí)的特點(diǎn)是抵御噪聲的能力強(qiáng)，只要干擾噪聲與接收信號(hào)不相關(guān)，測(cè)量結(jié)果就不受干擾噪聲的影響［1］，采用兩組探頭，把發(fā)射信號(hào)和接收的信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算處理，得出較好的波形。

1 測(cè)量原理

當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，與液體流動(dòng)方向相同或相反時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間不同。在本次設(shè)計(jì)中，將采用探頭相對(duì)并且浸在被測(cè)液體中，整體的檢測(cè)部分在管內(nèi)進(jìn)行［2］。設(shè)計(jì)如圖1所示若在固定長(zhǎng)度L的距離內(nèi)，分別放置兩組超聲波發(fā)送器S1、S2和接收器R1、R2，則對(duì)于順流和逆流有。

圖1 探頭安裝原理圖

順流時(shí)

逆流時(shí)

式(1)和式(2)中，C為超聲波在靜止流體內(nèi)的傳播速度;V為流體流動(dòng)的速度;T1為順流傳播所需要的時(shí)間;T2為逆流傳播所需要的時(shí)間［3］。

由式(1)變形得

由式(2)變形得

由式(3)和式(4)得

那么由式(5)可知，流速為

由發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)做相關(guān)，可以測(cè)得傳輸時(shí)間［4］。相關(guān)法主要是指兩路信號(hào)之間的相似性，其中一路信號(hào)較另一路信號(hào)有一個(gè)時(shí)間上的延遲［5］。對(duì)兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)于最相似時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的間，即為渡越時(shí)間τ。

超聲波換能器發(fā)出一個(gè)信號(hào)x(t)，超聲波換能器收到一個(gè)信號(hào)y(t)，理論上信號(hào)y(t)是信號(hào)x(t)的一個(gè)延時(shí)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的波形相似，只是在時(shí)間軸上有時(shí)間間隔Δt=t2－t1的兩組信號(hào)，由相關(guān)理論計(jì)算出這兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，表達(dá)式為

式(7)中T為測(cè)量時(shí)間;τ為延遲時(shí)間［6］。

由發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)做相關(guān)，可以測(cè)得傳輸時(shí)間。超聲波換能器發(fā)出一個(gè)調(diào)制信號(hào)x(t)，超聲波換能器收到一個(gè)信號(hào)y(t)，理論上信號(hào)y(t)是信號(hào)x(t)的一個(gè)延時(shí)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的波形相似，只是在時(shí)間軸上有時(shí)間間隔Δt=t2－t1的兩組信號(hào)。波形圖如2所示。

當(dāng)延時(shí) τ≠Δt時(shí)，Rxy(τ)值很小;當(dāng) τ=Δt時(shí)，兩信號(hào)重合，Rxy(τ)達(dá)到最大值，波形圖如3所示。

相關(guān)函數(shù)從時(shí)域上描述了兩個(gè)信號(hào)在不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系，其峰值對(duì)應(yīng)了兩個(gè)信號(hào)最相似的時(shí)刻。計(jì)算x(t)和y(t)的相關(guān)函數(shù)，就是在不同延時(shí)值下比較兩個(gè)波形的相似程度，得到相關(guān)函數(shù) Rxy(τ)的圖形，圖形峰值位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是兩波形的延時(shí)時(shí)間 Δt［7－8］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由FPGA、發(fā)射電路、切換電路、接收放大電路、濾波電路、采樣單元電路等幾部分構(gòu)成。超聲波換能器A、B在FPGA的控制下，輪流工作在發(fā)射與接收狀態(tài)。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)接收放大、選頻放大濾除了部分干擾信號(hào)，再送往采樣單元，整個(gè)過(guò)程的時(shí)序控制都由FPGA實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)發(fā)射和接收的波形采樣后做相關(guān)，便得出流體順流和逆流的時(shí)間差，從而求出流體的流速［7］。

2.2 發(fā)射電路

發(fā)射電路如圖5所示采用電感儲(chǔ)能方式產(chǎn)生高壓脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由FPGA發(fā)出，發(fā)出信號(hào)經(jīng)過(guò)6N137進(jìn)行電氣隔離，信號(hào)進(jìn)入TPS2811。TPS2811是高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器。輸出端接在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)。場(chǎng)效應(yīng)管漏極接連一個(gè)電感，電感一端連在直流電源。場(chǎng)效應(yīng)管源極接一個(gè)電阻接地。

工作時(shí)，TPS2811輸出高低電平，當(dāng)輸出為高時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，漏極與源極之間導(dǎo)通電阻較低，近似短路，電源對(duì)電感儲(chǔ)能，當(dāng)TPS2811輸出為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，漏極與源極間電阻較大，視為斷開(kāi)，電感對(duì)超聲波探頭產(chǎn)生高壓脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭。當(dāng)高電平時(shí)間長(zhǎng)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能就多，發(fā)射電壓就高，反之就低。探頭驅(qū)動(dòng)脈沖圖如圖6所示。

圖6 超聲波發(fā)射脈沖圖

2.3 探頭切換電路

探頭實(shí)現(xiàn)收發(fā)的切換，切換電路由CD4052實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制器的I/O口給CD4052信號(hào)實(shí)現(xiàn)通道選擇，使探頭之間進(jìn)行收發(fā)互換，進(jìn)行順逆流速的測(cè)量。電路圖如圖7所示。

圖7 超聲波探頭切換電路圖

2.4 接收放大電路

超聲波探頭接收到的信號(hào)基本是毫伏級(jí)，要經(jīng)過(guò)A/D采集，需要進(jìn)行放大。超聲波探頭阻抗高，接收放大電路需要高的輸入阻抗與之相匹配。放大器選擇高輸入阻抗的放大器，放大倍數(shù)要考慮到放大器的帶寬和放大的電壓。電路圖如圖8所示。

圖8 超聲波接收放大圖

2.5 濾波電路

設(shè)計(jì)采用由通用運(yùn)算放大器和RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的有源帶通濾波器，電路圖和參數(shù)如圖9所示。

圖9 濾波電路圖

3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)由FPGA控制，初始化程序，系統(tǒng)開(kāi)始，F(xiàn)PGA給出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射波形，實(shí)現(xiàn)順流發(fā)射波形，探頭在另一端接收波形，波形經(jīng)過(guò)放大濾波后進(jìn)行采樣，并把發(fā)射端波形引入到接收端，同樣進(jìn)行接收放大濾波采樣，采樣后存到寄存器里，當(dāng)采樣到一定波形后，通過(guò)FPGA控制CD4052進(jìn)行收發(fā)切換，切換收發(fā)方向，實(shí)現(xiàn)逆流發(fā)射，同上對(duì)發(fā)射和接收的波形進(jìn)行放大濾波采樣。采樣后的波形在住相關(guān)處理，計(jì)算順逆流傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算流速流量。系統(tǒng)流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11為接收的波形，通道1為發(fā)射端信號(hào)波形，通道2為接收端信號(hào)，圖中可以看到接收端和發(fā)射端信號(hào)波形相似，2和1之間有一定時(shí)間延時(shí)。

圖11 接收波形圖

測(cè)量?jī)山M信號(hào)的時(shí)間差時(shí)，對(duì)兩組信號(hào)用高速A/D同時(shí)采樣，把模擬量轉(zhuǎn)化為兩組數(shù)字量，對(duì)兩組信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算，圖12為采樣后的波形，圖12(a)發(fā)射端接收信號(hào)波形，圖12(b)為接收端接收到的信號(hào)，圖12(c)為圖12(a)和圖12(b)兩組信號(hào)波形做相關(guān)運(yùn)算后得波形。

圖12 波形采樣及相關(guān)后波形圖

發(fā)射信號(hào)頻率為40 kHz，周期為25 μs，4個(gè)周期為100 μs，采樣點(diǎn)數(shù)為10000個(gè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定接收端信號(hào)波形與發(fā)射端的時(shí)間差如表1所示，但理想與實(shí)際采樣后的時(shí)間差有一定誤差，相關(guān)后的計(jì)算結(jié)果也會(huì)有一定誤差，表1中給出了11組時(shí)間差的理想、實(shí)際采樣和相關(guān)計(jì)算后的時(shí)間差，并計(jì)算出相應(yīng)誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了探頭內(nèi)置與被測(cè)液體流動(dòng)方向平行的測(cè)量方案，發(fā)射電路設(shè)計(jì)了利用低壓直流來(lái)發(fā)射高壓直流脈沖驅(qū)動(dòng)探頭，完成了探頭按要求發(fā)射接收切換，各部分相應(yīng)的硬件電路滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出相關(guān)法的計(jì)算結(jié)果誤差率在5%以內(nèi)，時(shí)間差測(cè)量的準(zhǔn)確性決定了流速和流量的測(cè)量精度，相關(guān)法本身的特性可以在計(jì)算過(guò)程中有去除接收放大濾波和采樣的過(guò)程中得一些干擾，所以應(yīng)用相關(guān)法在測(cè)量時(shí)間差方面有提高精度的能力。

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