非接觸式的超聲波流量檢測技術研究

吳付祥，趙政,黃金星，趙中太

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)

管段式超聲波流量傳感器由于不易被堵塞、可適應各種具有較強腐蝕的液體而日益得到重視。雖然該類設備已被廣泛應用，但仍然存在一些不足，主要體現在以下幾個方面:(1)使用范圍受到限制，由于管段式傳感器需要破壞流體現場進行安裝[1]。(2)測量結果易受被測液體的壓力、密度、粘度等參數影響；有時在高壓力、高密度、高粘度的環境下會造成超聲波探頭的永久損壞，造成不可估量的損失。(3)多數此類傳感器采用高電壓驅動探頭，使得功耗高，也對現場造成一定的影響。(4)計時精度低，使得對液體流速的分辨率變低。

非接觸式超聲波流量傳感器是根據超聲波在被測液體內順流和逆流傳播的時間差制成的測定液體流速的儀表。其安裝采用非介入式夾裝在被測管道的外側，能夠用于惡劣的環境；同時在測量管內徑一定時，皮秒級計時精度使得順流和逆流測得時間差與其瞬時流速呈線性關系，而與其他物理參數(如壓力、密度、粘度等)無關，且對液體的低流速分辨率高。

本文通過對非接觸式的超聲波流量檢測技術的研究，設計出一種流量傳感器，實現對液體流量低功耗、高精度、高可靠性、高分辨率的檢測。

1 流量的超聲波檢測基本原理

時差測量法的基本原理如圖1所示[2]。當探頭A發射，B接收時，聲波順流傳播，速度快，時間短，可寫為：

圖1 流量的超聲波時差法原理圖

而探頭B發射，A接收時，聲波逆流傳播，速度慢，時間長，可寫為：

兩個方向的傳播時間差Δt=t2-t1為：

因V＜＜C，故V2可忽略，故得：

可見，當C和L為常數時，液體流速V便與Δt成線性關系。

2 流量檢測技術的實現

非接觸式的超聲波流量傳感器由超聲波探頭和信號接收處理等部分組成。超聲波探頭將驅動電信號轉換成超聲波傳遞；信號接收處理部分將獲取的微伏級的回波電壓經過放大、濾波等處理后，使其變成工業儀表所能接收的標準電壓、電流或脈沖信號，再經過接收處理，得到超聲波每次傳遞的時間差，實現流速和流量的顯示、記錄和運算。

2.1 總體方案

總體方案如圖2所示，包括驅動、信號處理、接收電路和計時電路等幾部分。

圖2 總體方案

2.2 驅動電路

超聲波驅動方式有單脈沖和多脈沖兩種驅動方式[3]。

通常情況下，液體流速測量的超聲波探頭的驅動方式一般采用單端較高電壓驅動，比如圖1中的A和B探頭均采用30～200 V的電壓驅動。但在本文中，對A和B探頭分別采用電壓僅16 V的低壓差分驅動技術，使其功耗盡可能低。

探頭采用三線制分別為正、負和地，在此分別以地為參考對正和負端進行多脈沖驅動，其驅動波形如圖3所示：1為正端驅動波形，2為負端驅動波形；1和2波形在相位上相差一個相位。

圖3 差分驅動波形

然后，通過示波器直接觀察超聲波探頭正負兩端的波形可以看到其驅動波形如圖4所示。從圖中得知在該種差分驅動方式下，16 V的差分驅動電壓而獲得32 V的實際驅動電壓，使得事半功倍。

2.3 信號接收與處理電路

圖4 實際驅動波形

非接觸式的超聲波流量檢測技術是超聲波測速的具體應用。信號接收與處理電路是探頭與單片機的中介，它是測量系統中硬件的關鍵部分，作用是將探頭的微伏級回波電壓信號經放大濾波后，再轉換成計時電路需要的脈沖信號，然后將順流或逆流時間送入到單片機中做處理換算成被測液體實時流速V。其信號接收與處理電路原理框圖[4-5]如圖5所示。

圖5 信號接收與處理原理框圖

2.3.1 接收電路

由于回波信號是每次順逆流A或B探頭輪流輸出的，所以必須對回波信號進行接收切換。比如，當A探頭發射聲波時，回波信號必須切換到B探頭為接收信號，反之相同。

接收電路中選用光電開關，與模擬開關相比具有高載荷電壓、干擾隔離好等優點；同時有導通電阻小、偏置電流低、響應速度快等特點。在此選用了AQY212光電開關。

2.3.2 一級信號放大與濾波

為了對超聲波探頭的回波信號進行處理，需要將其放大和濾波。由于回波信號是微伏級的電壓微信號，為了降低共模信號對其的干擾，信號放大需滿足偏置電流低、增益高、選擇性好、頻率響應好、低溫漂和高帶寬要求。另外，回波中帶有干擾信號，為了消除干擾，需精確地選出回波信號的頻段，同時不引進新的干擾信號。

綜上分析，若有源放大器本身具有選頻特性，在此有源放大器引入的干擾信號可以通過后續的無源器件濾掉，這樣就既滿足了將探頭微伏級回波信號的放大，又很好地消除干擾信號、精確選頻、濾波效果好。經過再三查證，本文選用中頻放大器MC1350和中周配合使用，其放大和濾波效果完全滿足要求。

2.3.3 二級信號放大

經過一級放大之后，由于放大倍數不夠，所以還需要對此信號進行放大，利用反相放大電路來放大經過一級放大濾波處理的信號。再經過二級放大之后的探頭回波信號波形如圖6所示。

2.3.4 比較電路

圖6 二級放大的波形圖

回波信號經過前面的處理后，將信號輸入到比較電路中，并設定標準電壓作為比較閾值電壓，當回波信號波形高于此閾值電壓時就產生對應的回波脈沖，即為此次計時結束的脈沖信號。在此選用了比較器MAX9202，具有響應速度快、偏置電流小等特點。

2.4 計時電路

計時電路是整個檢測技術的關鍵，其順流或逆流每次超聲波傳播時間的測量準確性決定了整個傳感器的測量精度、可靠性和穩定性等。

如圖7所示，順流或逆流的超聲波傳播時間為t，t為驅動電路的發射脈沖為計時起點到回波信號經過比較器后的脈沖為計時終點[6]。

圖7 傳播時間測量示意圖

根據式(1)、式(2)，由于超聲波在液體里的傳播速度室溫時為C=1 500 m/s,在靜態時，V=0，取DN=20 mm(小管徑為例)，θ=30°，則得到

由上面在小管徑的室溫靜態時，順逆流單次傳播時間僅為13.3 μs。可以得出動態傳播時差會更小，因此可針對微秒級甚至到納秒級計時。

綜上，本文選用德國ACAM公司的時間數字轉換芯片TDC-GP21，其時間測量范圍90 ps～4 ms。

2.5 主控電路

在該系統中,有較多的控制時序,比如發射驅動時序、發射與接收控制時序、計時電路時序等，且時序控制要求準確和可靠。若單獨采用一個微處理器既完成時序控制，又測定數據處理計算、顯示、儲存等，不僅影響了系統時序控制的準確度，而且降低了其運算速度和精度。因此選用兩個微處理器ARM芯片和CPLD。

選用PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2132作為核心處理器。

在CPLD家族中,選用Altera公司的MAXⅤ芯片，其具有編輯性強、操作簡單、功耗低和速度快等特點，并能夠滿足本系統的設計需求。

3 結構設計

非接觸的超聲波流量檢測原理設計的流量傳感器，采用外夾持式結構，使其測量不受被測量介質的壓力、密度、粘度和腐蝕度等因素影響；同時不需要對原有的被測量現場和管道進行破壞，維持了原有的工作現場并提高了工作效率。其結構示意圖如圖8所示。

圖8 外夾持式結構示意圖

4 實驗測試

基于此項流量檢測技術研究制成的非接觸的外夾持式超聲波流量傳感器樣機，在實驗裝置上以水為測量介質，使用經過中國計量科學研究院檢定的某高精度的流量計作為標準流量計進行對比實驗，該標準流量計精度為0.2%，重復性誤差為0.5%，測量范圍為0.1～10 m/s；實驗管徑為100 mm。

同時選用了一臺管段式超聲波流量傳感器，管徑為100 mm，主控CPU采用單核的單片機，與標準流量計在不同壓力情況下做對比實驗。

樣機、管段式超聲波流量傳感器與標準流量計在液體壓力為4 MPa時測得的試驗數據如表1所示。

由以上對比實驗得出，無論是在精度上還是在可靠性上非接觸式的外夾持式超聲波流量傳感器都比管段式的超聲波流量傳感器略勝一籌。

本文非接觸式的超聲波時流量檢測技術研究，設計實現的流量傳感器具有以下特點：

(1)測量精度高，重復性誤差小，可靠性高，通過實驗測試得到本傳感器的精度高達0.87%，重復性誤差小于0.14%。

(2)流速最低能夠測到0.1 m/s,流速分辨率高；功耗低、計時精度和準確度高，使其穩定性好。

(3)外夾持的結構設計，可適用于各種工業現場，尤其是惡劣的環境下。

[1]黃建軍.關于改進超聲波流量計性能的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2002.

[2]閆菲.多脈沖時差法超聲波流量計的設計與實現[D].大連：大連理工大學，2006.

表1 樣機、管段式超聲波流量傳感器與標準流量計在4 MPa的試驗數據表

[3]遲光勛.超聲波相關流量計的研制[D].長春：吉林大學，2005.

[4]TAKAMOTO M,ISHIKAWA H,SHIMIZU K,et al.New method for very low liquid flow rates using ultrasound[J].Flow Measurement and Instrumentation.2001,12(4):267-273.

[5]廖志敏，熊珊.超聲波流量計的研究和應用[J].管理技術與設備，2004(4)：12-14.

[6]姚濱濱,張宏建，唐曉寧，等.基于時差法和TDC-GP2超聲波流量測量方法[J].自動化與儀表，2011(8)：17-20.