張庭亮, 甄倩倩

(1. 安陽(yáng)工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000; 2.安陽(yáng)師范學(xué)院 軟件學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

不論是農(nóng)業(yè)灌溉方式的改進(jìn)、城市污水處理能力的提高還是江河水資源現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)，都需要流量檢測(cè)的支持[1].國(guó)家正在實(shí)施的大中型灌區(qū)節(jié)水改造工程的重點(diǎn)是干支渠的襯砌與配套，灌區(qū)水利信息管理的實(shí)時(shí)化與現(xiàn)代化，內(nèi)容相當(dāng)廣泛；其中明渠流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是其核心內(nèi)容之一，是推動(dòng)計(jì)量灌溉，促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水和提高農(nóng)作物水分生產(chǎn)率的基礎(chǔ).

現(xiàn)在，灌區(qū)應(yīng)用很廣泛的流量測(cè)量方法主要有：容積式測(cè)量方法、壓差式測(cè)量方法、流體阻力式測(cè)量方法、速度式測(cè)量方法[2].隨著灌區(qū)流量測(cè)量的要求不斷提高，精度不斷細(xì)化，很多方法由于施測(cè)計(jì)算復(fù)雜、成本較高等因素逐漸接近淘汰.超聲波在流體中傳播時(shí)，將會(huì)攜帶流體流速信息.通過(guò)檢測(cè)超聲波傳播速度信息，可以獲得液體的流速信息，進(jìn)而獲得流量信息.在超聲波流量計(jì)的研究方面，很多學(xué)者[3-10]已經(jīng)做了一些工作.在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了以多聲道時(shí)差法為基礎(chǔ)，使用高性價(jià)比、低功耗S3C6410為CPU，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有較好的實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度.

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 時(shí)差法測(cè)量原理

在明渠的兩側(cè)，按一定的傾斜角t2安裝一對(duì)波源A與B，由A向B傳播的超聲波順流速度為超聲波理論流速加上流體的流速，由B向A傳播的超聲波逆流速度為超聲波理論速度減去流體的流速.順流與逆流之間的差值結(jié)合已知的超聲波本身的理論速度就可以得出流體的流速[11-12].圖1顯示了具體的測(cè)量過(guò)程.

圖1 測(cè)量過(guò)程Fig.1 A schematic diagram of the measurement process

順流傳播的時(shí)間t1為

(1)

逆流傳播的時(shí)間t2為

(2)

式中:D為管道直徑；v為流體的流速；c為靜水超聲波速.

傳播時(shí)間差為

(3)

由于流速遠(yuǎn)小于超聲波自身的傳播速度，在三角經(jīng)驗(yàn)公式中，可以化簡(jiǎn)c2-v2cos2θ≈c2，進(jìn)而得到簡(jiǎn)易公式

(4)

此時(shí)可得流體的流速為

(5)

工程應(yīng)用中，我們可以看出，以上步驟所求的流速是一段距離內(nèi)的平均速度，要獲得明渠橫斷面上的瞬時(shí)速度，必須引入流體動(dòng)力學(xué)中的分布系數(shù)進(jìn)一步修正.

1.2 干擾類型與修正原理

實(shí)際測(cè)量中，流體溫度及環(huán)境溫度的變化會(huì)造成流體粘度及雷諾數(shù)的相繼改變.進(jìn)而改變傳播過(guò)程中的阻力因素，波速也因此改變.對(duì)于溫度的變化有兩種修正方法，即數(shù)學(xué)模型法和溫度補(bǔ)償法.數(shù)學(xué)模型法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的總體精度提出了更高的要求，在后期信號(hào)處理過(guò)程中稍有偏差，整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果便會(huì)因?yàn)楹?yīng)歸于失敗.因此，系統(tǒng)采用了溫度補(bǔ)償算法.溫度補(bǔ)償算法通過(guò)測(cè)量流體的實(shí)時(shí)溫度，對(duì)比獲得檢測(cè)瞬間超聲波自身速度，在計(jì)算過(guò)程中使用這一數(shù)值，保證溫度這一影響因子在檢測(cè)瞬時(shí)的確定性與準(zhǔn)確性.而且，溫度測(cè)量的完成，也可以從側(cè)面對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校對(duì)，避免粗大誤差.

不論從設(shè)計(jì)精度的角度還是從實(shí)際應(yīng)用的角度，背景噪聲以及超聲波本身的混響都是不容忽視的.為了消除噪聲及混響的干擾，硬件電路設(shè)計(jì)中，每一級(jí)信號(hào)放大后都加上了濾波電路.通過(guò)三級(jí)放大濾波，噪聲及混響因素產(chǎn)生的干擾可以消除.

單聲道的測(cè)量只能確定某一層流的速度或者說(shuō)是某一截深度水流的平均流速.這一流速不能代表整個(gè)橫斷面的平均流速.采取多聲道測(cè)量，取相鄰聲道的數(shù)據(jù)求得這兩個(gè)聲道圍成的區(qū)域面積的平均流速，區(qū)域面積流速積分獲得區(qū)域流量；再將多聲道測(cè)量所得的數(shù)個(gè)區(qū)域流量求和得到很斷面總體體積流量.理論上分析，多聲路測(cè)量中的聲道數(shù)與測(cè)量精度成線性增長(zhǎng).但是工程實(shí)際的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)得出，聲道數(shù)量達(dá)到五聲道后，增加聲道的方法，不僅不會(huì)減小正向誤差，相反，逆向誤差的出現(xiàn)降低了測(cè)量精度.而且，市場(chǎng)上的測(cè)量探頭成本不低，增加聲道，增加了翻倍的成本.所以，設(shè)計(jì)采用五聲道測(cè)量.

1.3 系統(tǒng)組成

超聲波流量測(cè)量采用多聲道時(shí)差法，為了便于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，要求測(cè)量時(shí)間足夠精確.為了解決天然河道布線困難，維護(hù)不易，超聲波發(fā)送與接收以及時(shí)間測(cè)量聯(lián)動(dòng)性差的問(wèn)題，采用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)以及數(shù)據(jù)傳輸.收發(fā)切換可以更好的利用無(wú)線模塊收發(fā)一體以及超聲波換能器收發(fā)一體的特點(diǎn)，消除非對(duì)稱性誤差.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為：電源模塊，S3C6410中央處理器模塊，收發(fā)切換模塊，時(shí)間測(cè)量模塊，無(wú)線模塊，超聲波收發(fā)模塊，顯示模塊，存儲(chǔ)模塊，鍵盤輸入模塊，通訊模塊，溫度測(cè)量模塊.系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波硬件設(shè)計(jì)原理繁雜，結(jié)構(gòu)模塊較多，篇幅所限，僅對(duì)有改進(jìn)的模塊設(shè)計(jì)予以介紹.

2.1 超聲波收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

超聲發(fā)射電路采用了單脈沖發(fā)射電路，它由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成.TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代產(chǎn)品.它具有更高的精度和更小的封裝，尤其適合于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域.GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止處理信號(hào)的使能端，能實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測(cè)量和熱量測(cè)量方面的應(yīng)用.采用TDC-GP2產(chǎn)生高速周期脈沖，經(jīng)三極管放大和變壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波.這里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載(超聲換能器)阻抗匹配.變壓器與探頭接成單端激勵(lì)方式，具體的發(fā)射電路原理連接如圖3所示.TDC-GP2發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)放大和升壓，在適合的能量區(qū)間值獲得后驅(qū)動(dòng)換能器.

圖3 發(fā)射模塊硬件圖Fig.3 Schematic transmitter module

超聲波在傳播過(guò)程中，由于各種干擾不斷減弱，接收端所能接收到的超聲波信號(hào)十分微弱，有可能只有幾毫伏.對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理，要想獲得較為理想的效果，放大電路是重中之重.為了提高系統(tǒng)的精度，必須將系統(tǒng)中存在的噪聲濾除.圖4所示為超聲波接收電路的整體硬件框圖，采用三級(jí)濾波放大.

圖4 超聲波接收電路硬件框圖Fig.4 The block diagram of ultrasonic receiver circuit hardware

接收模塊的第一部分為高通濾波放大.選用 OPA2350 運(yùn)算放大器，這種運(yùn)放是高速單電源滿幅度運(yùn)放，帶寬很寬，可達(dá)為38MHz.輸入阻抗達(dá) 1013，適于匹配.放大 40dB.第二級(jí)為可控增益放大電路，由于采用多聲道測(cè)量，每個(gè)聲道都單獨(dú)自成一體.為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的精確測(cè)量，必須根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行智能可控調(diào)節(jié).經(jīng)過(guò)多次實(shí)測(cè)，最后獲得適合于某一特定區(qū)域的閾值電壓與增益倍數(shù).選用 AD603.第三部分與第一部分所選芯片相同，但是設(shè)計(jì)中電路采用帶通濾波放大.三級(jí)放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示.

(a)第一級(jí)放大電路 (b)第二級(jí)放大電路 (c)第三級(jí)放大電路圖5 超聲波接收電路Fig.5 Ultrasonic receiving circuit

2.2 時(shí)間測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)

采用 TDC-GP2 的測(cè)量范圍 2 來(lái)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間.在這種模式下，TDC 的高速單元并不測(cè)量整個(gè)時(shí)間間隔，僅僅測(cè)量從 Start 信號(hào)上升沿到下一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿和 Stop 信號(hào)上升沿到下一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)間間隔(fine-counts)，而在兩次精密測(cè)量之間，TDC 記下基準(zhǔn)時(shí)鐘(Tref)的周期數(shù) (coarse-count).時(shí)間測(cè)量電路如圖6所示.

圖6 時(shí)間測(cè)量電路Fig.6 Time measurement circuit

2.3 無(wú)線傳輸模塊的總體硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)測(cè)量收發(fā)兩端通過(guò)布線達(dá)到通訊的目的，實(shí)用性較差，限制了明渠的寬度.針對(duì)這一問(wèn)題，在收發(fā)端采用無(wú)線模塊采用C51RF-CC2520開發(fā)板.開發(fā)板集成了射頻發(fā)送、接收，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，實(shí)測(cè)直徑50m對(duì)發(fā)對(duì)收信號(hào)穩(wěn)定.射頻芯片采用CC2430. 不僅可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端實(shí)時(shí)通信還可將測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸給上位機(jī).原理圖如圖7所示.

圖7 無(wú)線傳輸硬件原理圖Fig.7 The schematic digram of wireless transmission hardware

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程的實(shí)現(xiàn)：首先主機(jī)中央處理器下達(dá)運(yùn)行指令，無(wú)線傳輸模塊將指令同時(shí)發(fā)送到超聲發(fā)射與超聲接收模塊.完成接收、測(cè)差、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?超聲接收模塊將接收時(shí)間返回處理器，處理器經(jīng)過(guò)計(jì)算考慮無(wú)線傳輸帶來(lái)的時(shí)間遲滯，獲得超聲波在水流中的傳播時(shí)間，完成硬件部分的測(cè)量功能，中央處理器通過(guò)算法計(jì)算獲得流量，第二次測(cè)量，收發(fā)位置反轉(zhuǎn)，流程相同.具體的流程圖如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Flow chart of the system program

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用高性價(jià)比、低功耗ARM 11處理器，結(jié)合自行設(shè)計(jì)的收發(fā)硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了多聲道流速數(shù)字化采樣計(jì)算，并轉(zhuǎn)換為流量.通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了收發(fā)聯(lián)動(dòng)與上位機(jī)傳輸.設(shè)計(jì)中的不足有：流速斷面仍需人工給出，沒有實(shí)現(xiàn)水速與水位的多點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量.無(wú)線傳輸自身存在的發(fā)送數(shù)據(jù)丟失以及發(fā)送過(guò)程時(shí)間延遲的不固定對(duì)后期數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生影響.要解決這些問(wèn)題還需開展更加深入的研究.

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