新型超声波流量计

严锦洲，蒋念平

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海　200093)

0　引言

当前，国内城市供热行业形式严峻、能源浪费严重、采暖费精确收缴已经成为生产发展的难题之一，因此有必要研发一种精确测量热量的装置。文中研究的超声波流量计主要针对北方家用供暖计费场合的热量表中流量计设计，流速约为0．15～30 m3/h，热量的测量关键在于热水流量的精确测量，流量的测量模块就用超声波流量计。

超声波流量计[1-3]因仪表流通通道未设置任何阻碍器件，适合解决流量测量困难问题，特别是大口径流量测量中有比较突出的优点。在流量测量中具有重要的作用。但是由于超声波流量计采用多普勒法测量流速，目前超声波流量计多采用时差法[4-5]，在顺逆流时间的测量精度不高导致了测量偏差较大，为了解决此现象，文中采用高精度器件GP21[6]作为超声波收发装置，数据处理中采用先标定后测量的方法，再加上软件滤波算法技术，提高了测量精度。

1　测量原理

流量测量模块采用时差法原理[7-9]。如图1所示，1为进水口，5为出水口，2、4为超声波换能器，3为超声波传播通道。超声波从换能器2发射，经过管壁反射，到达换能器4，此称为顺流传播时间tup，反之称为逆流传播时间tdown．当介质流动的时候，与介质静止的时候相比，tup会变小，tdown会变大。两值差异越大，介质流速越大。有以下计算流量的公式：

(1)

式中：q为流量；l为超声波传播声程；A为管段截面积。

图1　管段剖面图

可见对于流量测量模块而言，输入的变量只有tup，tdown，流速一般为0．15 ～30 m3/h，Δt=tup-tdown约为5～850 ns．因此准确测量顺逆流时间对于系统精度而言是极为重要的。直接根据式(1)计算流量，误差会比较大。一般的做法是利用精度更高的仪器对测量板进行校准，并且将一些校准的结果植入到MCU，称为标定[10，11]，MCU每次测量都根据植入的结果进行修正，这样的测量结果会比较准确。 由式(1)可见，流量q和(1/tup-1/tdown)成线性关系。标定原理如下：对若干稳定的流量点，通过记录系统输入(1/tup-1/tdown)，以及该输入下的标准输出q{WTBZ，能够建立一个查询表，其中(1/tup-1/tdown)为X轴，q为Y轴。认为当输入是一定的，输出也是一定的。并且，当系统工作在正常模式中时，输入(1/tup-1/tdown)对应的输出q应该落在以下这条直线方程上：输入(1/tup-1/tdown)相邻的两个X轴上的标定点，以及其所对应的2个Y轴上的标定点所构成的直线方程。理论上说当标定的点越多，测量的精度越高。

2　硬件设计

主板的主控制器采用EFM32TG110F32单片机，工作频率28 MHz，系统平均功耗包括所有外围电路，换能器约为30 μA，能满足系统电池供电情况下，长时间运行的要求，同时此款单片机内核基于ARM，开发较为容易，有比较多的资源。流量计主板主要有以下若干单元组成：

(1)主控制器单元(EFM32TG110F32)，负责控制，监控流量计的运行，从GP21读取时间测量信息并将之转化为流量信息，同时在必要时完成与PC端的串口通信(流量计处于标定模式)。

(2)GP21+换能器单元，如图2，GP21是一种高精度器件，用于测量超声波在介质中的传播时间，GP21在主控制器单元的控制下发送，接收超声脉冲信号，并将时间测量信息回传给主控制器单元，GP21的功耗很低，大约为2．2 μA．

图2　GP21+换能器单元

3　红外光学通信单元。

如图3所示．将主控制器单元与PC端的串口通信转化为红外光学通信，实现非接触式通信。发射管发射角度约20～30°，辐射密度约5 mW/sr(20 mA)。接收管需要是二极管(非三极管)，反应时间快，约6 ns．

图3　红外光学通信单元

3　流量计软件设计

3．1系统框图及工作流程

系统框架如图4所示，GP21集成了超声波的发射和接收，并可以用于计算超声波在液体中的传播时间。流量计会有两个工作模式：一是工作模式，二是标定模式。标定模式是在工作模式基础上加上串口向PC上报数据的功能。现简述在工作模式下一个完整的工作流程。

图4　系统框架

(1)MCU发出超声波激励命令给GP21，GP21产生超声波激励信号至换能器1，换能器1发出超声波。同时单片机500 ms定时器开动，每500 ms重新进入A阶段。GP21的20 ms定时器开动，该定时到达后进入C阶段。

(2)经过约120 μs，换能器2收到超声波信号，GP21检测到该信号，计算出超声波传播时间tup，产生GPIO中断给MCU，MCU处理完数据后，进入休眠模式。

(3)GP21自动产生超声波激励信号至换能器2，换能器2发出超声波。经过约120 μs，换能器1收到超声波信号，GP21检测到该信号，计算出超声波传播时间tdown，产生GPIO中断给MCU，MCU从休眠模式退出，处理tup、tdown并查表计算出瞬时流量和累计流量。MCU进入休眠模式，等待500 ms中断到来重新进入A阶段。

3．2软件设置关键技术

由于流量计安装工位环境恶劣，有时会对tup，tdown产生瞬间干扰，为消除由此带来的粗大误差，文中提出如下滤波算法。使用深度为N的环形buffer对tup，tdown分别进行缓冲，在环形buffer被填满后，当系统采样到tup，tdown，环形buffer中最老的tup，tdown被抛弃，当前tup，tdown值进入环形buffer．

(1)对存储在环形buffer的N个tup，tdown分别求中位值tup_median，tdown_median。

(2)求环形buffer中位于(tup_median-0．1，tup_median+0．1)区间A的tup个数

(3)求环形buffer中位于(tdown_median-0．1，tdown_median+0．1)区间B的tdown个数

(5)若当前tup，tdown值分别位于区间A，B，则进入步骤(6)，否则返回滤波失败。

(6)对环形buffer中属于区间A，B的tup，tdown值求其平均值tup_M，tdown_M，返回滤波成功。

若滤波失败，则使用前一次有效流速计算当前流量。滤波成功后，还需要判断tup_M与tdown_M的差值是否在合理范围内，对于超声流量计，tup_M应该小于tdown_M+0．1，若差值在合理范围内，则使用tup_M和tdown_M计算当前流速，得到当前流速后，还需判断当前流速是否有效，其判断依据是当前流速与前一次有效流速之间的差值小于5．6。若当前流速有效，则使用当前流速计算当前流量，否则用前一次有效流速计算当前流量。

表1　实验结果

4　实验结果

5　结束语

设计的流量计采用高精度GP21作为超声波的发射和接收，并用于测量超声波在介质中的传播时间，结构简单，为了减小误差，在数据处理上采用先标定后查表的方法，并在时差法测量时间软件处理中加入滤波算法，实验结果表明测量精度达到±1%，符合国家标准，并且由测量算法知，该测量方案不会受工作环境、被测量液体温度的影响，在安装上可以任意角度安装，在楼宇家用型中具有重要的应用价值。

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