胡嘉豪，全太鋒

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2.重慶郵電大學，信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

在煤礦井下開采過程中，瓦斯抽采監(jiān)測計量系統(tǒng)至關(guān)重要。但是在煤礦瓦斯抽放管路流量監(jiān)測中，瓦斯抽放環(huán)境條件相對復雜，信號干擾大，從而導致測量難度較大。目前煤礦中的檢測流量計有渦街流量計、渦輪流量計、孔板流量計等。上述流量計在煤礦瓦斯抽放應用中的主要缺陷有：渦街流量計[1]是根據(jù)卡門渦街原理生產(chǎn)的速度式流量計。對管道振動有較強敏感性，測量下限較高；渦輪流量計[2]是采用渦輪進行測量的流量計，對直管道要求較長，不能長期保持校準特性；孔板流量計[3]是采用節(jié)流原理實現(xiàn)的差壓式流量計，但礦井條件復雜，會導致其測量結(jié)果不準確。

相比較而言，超聲波氣體流量計有著測量效率高，機械品質(zhì)因素高，在諧振頻率點附近工作有著極高的電聲轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點。同時適應性強，對測量介質(zhì)要求低；測量范圍寬，量程比高；受環(huán)境影響小，對于煤礦瓦斯抽放的監(jiān)測具有重要意義[4-5]。

因此，本文基于時差法超聲波氣體流量監(jiān)測技術(shù)，設計了一種雙聲道礦用超聲波氣體流量計。與單聲道相比，雙聲道針對多個面測量，更能適應流態(tài)分布變化大的管道，精確度更高。并在接收處理電路之前，又添加了一級差分放大電路，這樣既能夠抑制共模干擾，又能夠改善流量計零點漂移問題，具有較高的市場應用價值。

1 時差法超聲波氣體流量計的計量原理

時差法超聲波氣體流量計的計量原理是根據(jù)超聲波波束在氣體中的順流與逆流傳播時的渡越時間差與被測流體流速之間的關(guān)系來求得流速，再根據(jù)管道的橫截面積換算求得氣體流量。其計量原理可用圖1來說明。

圖1 時差法測量原理圖

圖1中，θ角為超聲波傳播路徑與管壁的夾角，D為管壁的直徑，L為超聲波傳播的路徑長度，v為超聲波傳輸路徑方向上的氣體平均流速。假設超聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度為c。

換能器T1到T2的傳播時間，即順流渡越時間為

(1)

換能器T2到T1的傳播時間，即逆流渡越時間為

(2)

由順逆流傳播時間可以推導出時間差Δt為

(3)

在一般的工業(yè)測量中，c(約340 m/s)遠大于v，因此c2?v2cosθ，故式(3)中v2cosθ可以省略，于是式(3)可化為

(4)

根據(jù)式(4)計算得到的v為傳播聲道線上的平均速度，需要修正才能得到管道截面的平均速度v1，修正為v1=v/K。流量修正系K=(2n+1)/2n，在流體的雷諾系數(shù)為104時，n取6.5[6]。

故最終流量公式為

(5)

式中Q為管道氣體流量，m3/h。

由上可知，在L和θ保持不變的情況下，只要測得超聲波的順、逆流渡越時間，經(jīng)過修正就能得到氣體的平均流速，進而求出管道內(nèi)的氣體流量。

2 總體設計方案

礦用雙聲道超聲波氣體流量計總體設計方案如圖2所示。

圖2 超聲波氣體流量計總體設計方案圖

該方案是以STM32F4高性能控制器為系統(tǒng)核心，其采用先進的CortexTM-M4內(nèi)核，擁有豐富的片上資源。同時集成了增強的DSP處理指令和浮點單元運算能力，能夠以168M高速運行時達到210 DMIPS的處理能力，具有高性能、低功耗等優(yōu)點，足夠精確計算超聲波信號渡越時間。

同時為了保障煤礦工作環(huán)境的安全，故應避免采用高壓脈沖驅(qū)動電路，因而本設計采用了低壓驅(qū)動的超聲波傳感器，中心頻率為40 kHz，安裝方式采用“X”形安裝。

首先利用軟件配置STM32最小系統(tǒng)產(chǎn)生40 kHz方波，同時開啟定時器計時。由切換電路交替選擇第一、第二換能器的工作狀態(tài)，即接收狀態(tài)或發(fā)送狀態(tài)。當在發(fā)送狀態(tài)時，方波脈沖會經(jīng)由超聲波驅(qū)動信號電路放大增幅而產(chǎn)生更高幅值的激勵信號，驅(qū)動超聲波傳感器。當在接收狀態(tài)時，換能器接收到信號后，經(jīng)過第一級的差分放大電路以及第二級的超聲波接收芯片CX20106A處理后，由STM32采集的值與閾值電路的門值電壓進行比較，如果大于等于門值則認為檢測到正確的超聲波信號，同時計時停止，完成第一次順逆流渡越時間測量；第三、第四換能器同理，得到第二次順逆流渡越時間測量；再經(jīng)由平均法得出最后的順逆流渡越時間。使用Pt100溫度傳感器測量管道溫度并進行溫度補償。使用MPM286壓力傳感器測量當前管道內(nèi)壓力。復位電路是為了及時糾正因供電不穩(wěn)等外界原因造成的運行錯誤。

3 硬件設計方案

3.1 超聲波信號驅(qū)動電路

超聲波信號驅(qū)動電路是為了激勵發(fā)射換能器，使換能器發(fā)出一定幅值和頻率的超聲波信號。本文基于半橋驅(qū)動芯片PN7103設計了如圖3的H橋驅(qū)動電路。其電路可靠性高、響應時間快且使用的元器件少，能夠使超聲波換能器持續(xù)穩(wěn)定工作。超聲波信號驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 超聲波信號驅(qū)動電路

圖3所示的H橋驅(qū)動電路工作原理為：超聲波驅(qū)動信號先配置STM32同步產(chǎn)生2路同相的40 kHz脈沖方波，其中一路會經(jīng)過NL17SV04反相器反相。由于NL17SV04反相器引起的傳播誤差為1 ns，延時幾乎可忽略不計，這樣變成極性相反且同步的2路超聲波信號。2路極性相反的超聲波信號分別控制2片半橋驅(qū)動芯片PN7103，每片PN7103芯片控制2個MOSFET，形成H橋驅(qū)動電路。最終產(chǎn)生幅值更高的發(fā)射驅(qū)動信號，用以驅(qū)動超聲波換能器。

3.2 超聲波接收調(diào)理電路

受工況影響，換能器接收到的超聲波信號非常微弱，一般為最大幅值只有幾十mV的正弦振蕩信號且存在許多干擾信號、幅值變化較大，超聲波接收信號調(diào)理電路就是完成對超聲波接收信號的放大與濾波處理，以使處理后的超聲波接收信號能夠滿足后續(xù)檢測的要求。所以要經(jīng)過信號調(diào)理電路整理。

由于運放放大倍數(shù)越大，越容易引起振蕩，本設計的超聲波信號調(diào)理電路分為二級。第一級放大采用由NJM2068低噪聲高速運放組成的前置差分放大電路。如圖4所示，其采用三運放差模輸入拓撲結(jié)構(gòu)，能夠有效濾除干擾信號、抑制共模干擾和零漂。保證足夠高的增益帶寬積，滿足高頻信號處理要求，產(chǎn)生信噪比高的超聲波信號。放大倍數(shù)G為

(6)

圖4 三運放差模輸入拓撲結(jié)構(gòu)

第二級采用CX20106超聲波接收芯片，該芯片本身的輸出是在引腳7，但為了使信號有更高的精確性而改成由引腳3輸出，而沒有采用內(nèi)部比較器。其信號輸出接入到精確性更高的閾值比較電路。

3.3 溫度補償電路

根據(jù)式(4)可知，氣體流速和超聲波速度有著密切的關(guān)系；而在瓦斯抽放管道中，超聲波傳播速度會受到溫度的影響。超聲波傳播速度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系為[7]

(7)

式中：c為超聲波速度；T為環(huán)境溫度。

由式(7)可知，溫度變化1 ℃，超聲波在氣體中的傳播速度將變化約0.6 m/s。因此，為了保證測量流量的精度，在計算流速時須對溫度進行補償。故在硬件電路設計中，添加了溫度補償電路，對流速進行校正。溫度補償電路如圖5所示。

圖5 溫度補償電路

4 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計主要實現(xiàn)通道選擇、發(fā)送超聲波激勵脈沖、定時器計時、ADC采集、溫度補償、計算氣體流量和平均風速等功能，其程序在Keil5環(huán)境下編寫。軟件設計流程如圖6所示。

系統(tǒng)首先初始化參數(shù)并進行測量通道的選擇。超聲波激勵脈沖頻率采用40 kHz，頻率由STM32F4定時，這樣穩(wěn)定度高，易同步。發(fā)送超聲波時，同時啟動定時器測量渡越時間。為了避免干擾信號和超聲波自身余振信號對超聲波檢測的影響[8]，在定時器啟動后延遲200 μs，再開啟ADC采集通道，可以有效地提高抗干擾能力。閾值比較電壓設置為2.5 V，如果采集電壓值大于等于閾值電壓，則視為正確接收到超聲波信號。由STM32F4內(nèi)部定時器精準測量渡越時間、溫度采集電路得到實時溫度作溫度補償，最后由內(nèi)部程序設計的算法完成氣體平均風速以及流量計算。

圖6 系統(tǒng)軟件設計流程圖

5 檢驗結(jié)果與分析

在流量校驗工裝上，對由圖2所設計的礦用雙聲道超聲波氣體流量計進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的結(jié)果可知，測得的平均速度與實際偏差不大。且具有極低的測量下限，測量風速在1 m/s以內(nèi)時，相對誤差限為1%。整體測量相對誤差限保持在±2%且重復性高。參考《中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程》，本礦用超聲波氣體流量計達到了2.0的精度[9]，滿足測量要求。

6 結(jié)束語

本文基于時差法檢測原理，以STM32F4為主控制芯片，設計了礦用超聲波氣體流量計。其發(fā)射端發(fā)送的脈沖方波由STM32F4定時產(chǎn)生，穩(wěn)定度高，易同步。在接收端采用三運放差模輸入拓撲結(jié)構(gòu)，有效地濾除干擾信號、抑制共模干擾和零漂，解決了復雜環(huán)境中接收信號干擾嚴重的問題。且適用范圍廣，能夠在不同溫度和壓力的工況條件穩(wěn)定工作。同時STM32F4具有豐富的片上資源，自帶增強的DSP處理指令以及具備浮點運算能力，既降低了電路設計的復雜性又保證了系統(tǒng)的精確性。通過測試表明，測量準確度達到了2級并具有很低的測量下限，能夠很好地適應當前復雜的煤礦瓦斯抽放環(huán)境，對精確測量煤礦瓦斯流量具有重要意義。

表1 實測數(shù)據(jù)