嚴(yán)錦洲，蔣念平

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上?！?00093)

0　引言

當(dāng)前，國內(nèi)城市供熱行業(yè)形式嚴(yán)峻、能源浪費嚴(yán)重、采暖費精確收繳已經(jīng)成為生產(chǎn)發(fā)展的難題之一，因此有必要研發(fā)一種精確測量熱量的裝置。文中研究的超聲波流量計主要針對北方家用供暖計費場合的熱量表中流量計設(shè)計，流速約為0．15～30 m3/h，熱量的測量關(guān)鍵在于熱水流量的精確測量，流量的測量模塊就用超聲波流量計。

超聲波流量計[1-3]因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙器件，適合解決流量測量困難問題，特別是大口徑流量測量中有比較突出的優(yōu)點。在流量測量中具有重要的作用。但是由于超聲波流量計采用多普勒法測量流速，目前超聲波流量計多采用時差法[4-5]，在順逆流時間的測量精度不高導(dǎo)致了測量偏差較大，為了解決此現(xiàn)象，文中采用高精度器件GP21[6]作為超聲波收發(fā)裝置，數(shù)據(jù)處理中采用先標(biāo)定后測量的方法，再加上軟件濾波算法技術(shù)，提高了測量精度。

1　測量原理

流量測量模塊采用時差法原理[7-9]。如圖1所示，1為進水口，5為出水口，2、4為超聲波換能器，3為超聲波傳播通道。超聲波從換能器2發(fā)射，經(jīng)過管壁反射，到達換能器4，此稱為順流傳播時間tup，反之稱為逆流傳播時間tdown．當(dāng)介質(zhì)流動的時候，與介質(zhì)靜止的時候相比，tup會變小，tdown會變大。兩值差異越大，介質(zhì)流速越大。有以下計算流量的公式：

(1)

式中：q為流量；l為超聲波傳播聲程；A為管段截面積。

圖1　管段剖面圖

可見對于流量測量模塊而言，輸入的變量只有tup，tdown，流速一般為0．15 ～30 m3/h，Δt=tup-tdown約為5～850 ns．因此準(zhǔn)確測量順逆流時間對于系統(tǒng)精度而言是極為重要的。直接根據(jù)式(1)計算流量，誤差會比較大。一般的做法是利用精度更高的儀器對測量板進行校準(zhǔn)，并且將一些校準(zhǔn)的結(jié)果植入到MCU，稱為標(biāo)定[10，11]，MCU每次測量都根據(jù)植入的結(jié)果進行修正，這樣的測量結(jié)果會比較準(zhǔn)確。 由式(1)可見，流量q和(1/tup-1/tdown)成線性關(guān)系。標(biāo)定原理如下：對若干穩(wěn)定的流量點，通過記錄系統(tǒng)輸入(1/tup-1/tdown)，以及該輸入下的標(biāo)準(zhǔn)輸出q{WTBZ，能夠建立一個查詢表，其中(1/tup-1/tdown)為X軸，q為Y軸。認(rèn)為當(dāng)輸入是一定的，輸出也是一定的。并且，當(dāng)系統(tǒng)工作在正常模式中時，輸入(1/tup-1/tdown)對應(yīng)的輸出q應(yīng)該落在以下這條直線方程上：輸入(1/tup-1/tdown)相鄰的兩個X軸上的標(biāo)定點，以及其所對應(yīng)的2個Y軸上的標(biāo)定點所構(gòu)成的直線方程。理論上說當(dāng)標(biāo)定的點越多，測量的精度越高。

2　硬件設(shè)計

主板的主控制器采用EFM32TG110F32單片機，工作頻率28 MHz，系統(tǒng)平均功耗包括所有外圍電路，換能器約為30 μA，能滿足系統(tǒng)電池供電情況下，長時間運行的要求，同時此款單片機內(nèi)核基于ARM，開發(fā)較為容易，有比較多的資源。流量計主板主要有以下若干單元組成：

(1)主控制器單元(EFM32TG110F32)，負責(zé)控制，監(jiān)控流量計的運行，從GP21讀取時間測量信息并將之轉(zhuǎn)化為流量信息，同時在必要時完成與PC端的串口通信(流量計處于標(biāo)定模式)。

(2)GP21+換能器單元，如圖2，GP21是一種高精度器件，用于測量超聲波在介質(zhì)中的傳播時間，GP21在主控制器單元的控制下發(fā)送，接收超聲脈沖信號，并將時間測量信息回傳給主控制器單元，GP21的功耗很低，大約為2．2 μA．

圖2　GP21+換能器單元

3　紅外光學(xué)通信單元。

如圖3所示．將主控制器單元與PC端的串口通信轉(zhuǎn)化為紅外光學(xué)通信，實現(xiàn)非接觸式通信。發(fā)射管發(fā)射角度約20～30°，輻射密度約5 mW/sr(20 mA)。接收管需要是二極管(非三極管)，反應(yīng)時間快，約6 ns．

圖3　紅外光學(xué)通信單元

3　流量計軟件設(shè)計

3．1系統(tǒng)框圖及工作流程

系統(tǒng)框架如圖4所示，GP21集成了超聲波的發(fā)射和接收，并可以用于計算超聲波在液體中的傳播時間。流量計會有兩個工作模式：一是工作模式，二是標(biāo)定模式。標(biāo)定模式是在工作模式基礎(chǔ)上加上串口向PC上報數(shù)據(jù)的功能?，F(xiàn)簡述在工作模式下一個完整的工作流程。

圖4　系統(tǒng)框架

(1)MCU發(fā)出超聲波激勵命令給GP21，GP21產(chǎn)生超聲波激勵信號至換能器1，換能器1發(fā)出超聲波。同時單片機500 ms定時器開動，每500 ms重新進入A階段。GP21的20 ms定時器開動，該定時到達后進入C階段。

(2)經(jīng)過約120 μs，換能器2收到超聲波信號，GP21檢測到該信號，計算出超聲波傳播時間tup，產(chǎn)生GPIO中斷給MCU，MCU處理完數(shù)據(jù)后，進入休眠模式。

(3)GP21自動產(chǎn)生超聲波激勵信號至換能器2，換能器2發(fā)出超聲波。經(jīng)過約120 μs，換能器1收到超聲波信號，GP21檢測到該信號，計算出超聲波傳播時間tdown，產(chǎn)生GPIO中斷給MCU，MCU從休眠模式退出，處理tup、tdown并查表計算出瞬時流量和累計流量。MCU進入休眠模式，等待500 ms中斷到來重新進入A階段。

3．2軟件設(shè)置關(guān)鍵技術(shù)

由于流量計安裝工位環(huán)境惡劣，有時會對tup，tdown產(chǎn)生瞬間干擾，為消除由此帶來的粗大誤差，文中提出如下濾波算法。使用深度為N的環(huán)形buffer對tup，tdown分別進行緩沖，在環(huán)形buffer被填滿后，當(dāng)系統(tǒng)采樣到tup，tdown，環(huán)形buffer中最老的tup，tdown被拋棄，當(dāng)前tup，tdown值進入環(huán)形buffer．

(1)對存儲在環(huán)形buffer的N個tup，tdown分別求中位值tup_median，tdown_median。

(2)求環(huán)形buffer中位于(tup_median-0．1，tup_median+0．1)區(qū)間A的tup個數(shù)

(3)求環(huán)形buffer中位于(tdown_median-0．1，tdown_median+0．1)區(qū)間B的tdown個數(shù)

(5)若當(dāng)前tup，tdown值分別位于區(qū)間A，B，則進入步驟(6)，否則返回濾波失敗。

(6)對環(huán)形buffer中屬于區(qū)間A，B的tup，tdown值求其平均值tup_M，tdown_M，返回濾波成功。

若濾波失敗，則使用前一次有效流速計算當(dāng)前流量。濾波成功后，還需要判斷tup_M與tdown_M的差值是否在合理范圍內(nèi)，對于超聲流量計，tup_M應(yīng)該小于tdown_M+0．1，若差值在合理范圍內(nèi)，則使用tup_M和tdown_M計算當(dāng)前流速，得到當(dāng)前流速后，還需判斷當(dāng)前流速是否有效，其判斷依據(jù)是當(dāng)前流速與前一次有效流速之間的差值小于5．6。若當(dāng)前流速有效，則使用當(dāng)前流速計算當(dāng)前流量，否則用前一次有效流速計算當(dāng)前流量。

表1　實驗結(jié)果

4　實驗結(jié)果

5　結(jié)束語

設(shè)計的流量計采用高精度GP21作為超聲波的發(fā)射和接收，并用于測量超聲波在介質(zhì)中的傳播時間，結(jié)構(gòu)簡單，為了減小誤差，在數(shù)據(jù)處理上采用先標(biāo)定后查表的方法，并在時差法測量時間軟件處理中加入濾波算法，實驗結(jié)果表明測量精度達到±1%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，并且由測量算法知，該測量方案不會受工作環(huán)境、被測量液體溫度的影響，在安裝上可以任意角度安裝，在樓宇家用型中具有重要的應(yīng)用價值。

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