近10年來,隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,微處理器技術(shù)和高速數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)步顯著,新材料、新工藝促使超聲波探頭適用面更廣,度更高,超聲波流量測量技術(shù)取得了長足的進(jìn)步[1],正在快速發(fā)展成流量測量領(lǐng)域( 尤其是計(jì)量碳?xì)浠衔? 的實(shí)惠。超聲波流量計(jì)作為一種非接觸式流量計(jì),較之傳統(tǒng)流量計(jì)具有眾多優(yōu)勢,具體包括: 適用于不同管徑大小的氣體流量,且無流阻、無壓力損失; 測量精度高,能耗低; 較低的總體擁有成本; 操作簡便易上手[2]。

  但是,研究者也不能忽視當(dāng)下超聲波流量計(jì)存在的缺點(diǎn),例如信號接收發(fā)送模塊采用大量分立元件搭建而成,電路復(fù)雜且測量精度難以提升; 低功耗設(shè)計(jì)稍顯不足,一般工作壽命為1年左右; 井下使用高壓電源激勵(lì)超聲波換能器工作,存在安全隱患。

  因此,本研究針對上述不足設(shè)計(jì)一款礦用超聲波流量計(jì),其具有測量精度高、功耗低、外設(shè)豐富等優(yōu)點(diǎn), 有望在市場推廣。

  本研究提出的礦用超聲波流量計(jì)是基于時(shí)差法測定管道內(nèi)瓦斯流量,其原理是: 通過兩次上、下游換能器對射,獲得超聲波束在管道瓦斯中順、逆流傳播時(shí)間差值計(jì)算出流體的流速,進(jìn)而換算成瓦斯流量。其測量原理與換能器管道安裝位置如圖1所示。

  D—管道內(nèi)徑; C—超聲波在靜止流體中的傳播速度; V—氣體的平均流速; L—A,B兩處超聲波換能器直線距離; d—水平距離

  筆者在管道上游B和下游A處分別安裝一個(gè)發(fā)射/接收一體式超聲波換能器,用以發(fā)射或接受超聲波束,使兩個(gè)換能器分時(shí)處于發(fā)射和接收狀態(tài)。超聲波以入射角( 即L與管道中心軸線的夾角) 對射時(shí),設(shè)超聲波束沿氣體順流方向傳播速度為t1,逆流傳播時(shí)間為t2。當(dāng)氣體流速以V速度流動,超聲波在氣體中的實(shí)際傳播速度C1是聲速C與流體速度V在超聲波傳播聲道方向上的分量Vcosθ 的疊加,即:

超聲波信號在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間分別為:

由上述兩式可推導(dǎo)出上、下游時(shí)間差 ΔT:

超聲波在氣體中的傳播速度大約為340 m/s,一般情況下C2>>2,因此可將式( 4) 簡化為:

式中: L,θ—管道幾何尺寸參數(shù)和超聲波換能器安裝的位置參數(shù),只要在加工以及安裝過程中限定好精度要求,誤差一般很小; 參數(shù)C—超聲波在流體中的傳播速度,由于溫度、壓力以及氣體雜質(zhì)對其影響較大,在進(jìn)行速度計(jì)算過程中,不可避免引入測量誤差。因此本研究通過變量代換從公式中剔除超聲波速度C,變換如下:

將以上兩式相減,可以得到剔除C參數(shù)的V表達(dá)式:

化簡后的V表示式中不存在超聲波速度參數(shù)C, 因此規(guī)避了測量現(xiàn)場溫度、氣壓以及雜質(zhì)引入的測量誤差可能,使得測量結(jié)果更為,穩(wěn)定。由公式( 1 ~ 9) 得到管道內(nèi)瓦斯氣體線平均速度V,但實(shí)際儀表在計(jì)算管道流體流量的過程中,需要引入流速修正系數(shù)K將上式得到的線平均流速折算為截面平均流速,關(guān)系式如下:

通常修正系數(shù)K是根據(jù)流體動力學(xué)模型計(jì)算得出, 之后通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定進(jìn)行校準(zhǔn)。本研究提出的流量計(jì)采用單聲道超聲波流量計(jì),管道瞬時(shí)流量可簡單表示為:

式中: D—瓦斯管道內(nèi)徑。對于圓柱形瓦斯管道,截面面積A = πD2/4。根據(jù)推導(dǎo)過程,本研究用該超聲波流量計(jì)測定管道內(nèi)瓦斯流量,影響測量精度的關(guān)鍵因素只與管道加工精度、換能器安裝角度和上、下?lián)Q能器順、逆流傳播時(shí)間有關(guān),而與煤礦現(xiàn)場的溫度、氣壓等參數(shù)無關(guān)[3-4]。

  本研究設(shè)計(jì)的礦用超聲波氣體流量計(jì)要求在惡劣的井下環(huán)境中長時(shí)間、穩(wěn)定作業(yè),并能保證瓦斯流量測量精度以及實(shí)現(xiàn)智能化處理和操作。因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著重放在以下3個(gè)方面: 低功耗設(shè)計(jì)、高精度流量計(jì)測量以及全面的功能模塊。
  1低功耗方面,本研究選用超低功耗單片機(jī)EFM作為流量計(jì)系統(tǒng)的微控制器,該芯片只有現(xiàn)有8位、16位、32位MCU的四分之一功耗,并且具有高效的處理能力和豐富的外設(shè)接口; 2流量測量精度方面,本研究摒棄了傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)采用大量分立元件搭建接收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)思想,根據(jù)時(shí)差法測量的基本原理,選用時(shí)下出色的時(shí)間測量芯片TDC作為核心元件。TDC-GP22作為一款高精度流量計(jì)、小封裝元件,集成了時(shí)間間隔測量模塊、脈沖信號發(fā)生模塊、溫度測量模塊等,極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的集成度,非常適用于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[5]; 3功能模塊方面, 依托于EFM微控制和TDC時(shí)間測量芯片,外圍搭建了采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、485通訊模塊和人機(jī)交互模塊,即可實(shí)現(xiàn)對流量、溫度、壓力和濃度檢測功能,并實(shí)時(shí)顯示到液晶屏幕上。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

  該設(shè)計(jì)方案采用管道上下游多次發(fā)射及接收超聲波束,得到超聲波在氣體中順方向傳播時(shí)間t1、逆方向傳播時(shí)間t2以及時(shí)間差值 Δt,代入式( 1 ~ 9) 計(jì)算得到流量流速。

  如圖2所示,在進(jìn)行流量測量時(shí),微處理器通過SPI方式控制TDC中的脈沖發(fā)生器FIRE_UP端口產(chǎn)生激勵(lì)脈沖,發(fā)射的波形為方波,頻率為200 k Hz。脈沖經(jīng)過上游前端電路驅(qū)動放大以及濾波處理激勵(lì)上游超聲波換能器發(fā)出超聲波束,此時(shí)上游換能器處于發(fā)射狀態(tài),下游換能器則為接收狀態(tài)。同時(shí)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)START信號開啟TDC內(nèi)部計(jì)時(shí)模塊,開始計(jì)時(shí)。上游超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波通過管道中的瓦斯氣體以一定的時(shí)間間隔傳播到對面,下游換能器接收到超聲波信號,將其轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過后端處理電路去噪、放大以及設(shè)定比較閥值獲取到一束波形良好的正弦波,通過過零檢測來確定信號達(dá)到時(shí)刻,同時(shí)產(chǎn)生STOP信號停止TDC的計(jì)時(shí)模塊,順流測量結(jié)束。

  同理,下游換能器發(fā)送超聲波,上游接收,逆流測量結(jié)束。隨后CPU通過SPI讀取TDC結(jié)果寄存器值, 通過D/A轉(zhuǎn)換得到傳播時(shí)間t1和t2,代入時(shí)差法公式計(jì)算流量。

  時(shí)差法超聲波流量計(jì)是通過測量超聲波在流體中的順逆流傳播時(shí)間差值,進(jìn)而計(jì)算出管道內(nèi)瓦斯流量, 故傳播時(shí)間差值的高精度流量計(jì)測量是該測量系統(tǒng)的關(guān)鍵[5]。此外考慮到換能器參數(shù)以及低功耗要求,本研究圍繞TDC芯片設(shè)計(jì)了如下控制電路方案:

  傳統(tǒng)的超聲波激勵(lì)方式一般采用一定占空比的方波,或者利用CMOS模擬開關(guān)產(chǎn)生一組調(diào)幅激勵(lì)脈沖來激勵(lì)換能器。上述方式通常存在電路穩(wěn)定性差、脈沖頻率調(diào)節(jié)困難以及功耗大等缺陷。本研究摒棄了傳統(tǒng)流量計(jì)采用分立元件搭建接收發(fā)送電路的思想,選用TDC-GP22作為時(shí)間測量芯片,集成有高速脈沖發(fā)生器,單次***多可以發(fā)送頻率和相位都可調(diào)的127個(gè)脈沖[7-8]。此外聲速在空氣中傳播速度大約為,時(shí)間差值在微秒( μs) 級別,這就要求時(shí)間測量電路精度在納秒( ns) 級別甚至皮秒( ps) 級別,而TDC的測量精度為90 ps級,因此符合要求。

 本研究設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路主要完成對信號驅(qū)動作用,使得能夠激勵(lì)上、下游換能器工作。流量計(jì)測量的對象是氣體流量,超聲波在氣體中的衰減系數(shù)大,接收到的信號非常微弱,因此需要提高驅(qū)動電壓,但流量計(jì)系統(tǒng)所處的環(huán)境又是易燃易爆的場所,不宜使用過高的電壓?？紤]到安全性以及所選用的超聲波換能器的技術(shù)參數(shù)要求,本研究提出了一種解決方案: 基于MD1211和TC6320兩款芯片 搭建驅(qū)動 放大電路, MD1211和TC6320均為高速雙MOSFET驅(qū)動器,前者專為在需要高輸出容性負(fù)載電流的超聲應(yīng)用中,驅(qū)動高電壓N溝道和P溝道MOSFET管而設(shè)計(jì); 后者能夠?qū)? V輸入電壓升壓至高達(dá)200 V,可控范圍大,易于調(diào)節(jié)。從而就能將TDC-GP22產(chǎn)生的3. 3 V脈沖信號驅(qū)動放大至足夠激勵(lì)換能器正常接收發(fā)工作,此種方案較之前傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)外接高壓電源方式不同, 具有安全系數(shù)高、電路設(shè)計(jì)簡潔等優(yōu)勢。

  該系統(tǒng)由TDC-GP22產(chǎn)生200 k Hz方波信號,經(jīng)過驅(qū)動放大電路后作用于上游換能器發(fā)出超聲波,超聲波束在氣體中傳播,被下游端換能器接收,轉(zhuǎn)為一很微弱的正弦交流信號,采用低壓驅(qū)動***大幅值僅10 m V以下,并夾雜了噪聲源[9],大大降低了GP22對于時(shí)間差值的測量精度,造成了測量誤差。因此系統(tǒng)必須在接收換能器后端與TDC-GP22芯片之間添加信號處理模塊。本研究提出了一種基于MD0100和INA331芯片搭建的濾波放大電路方案。INA331是一款低功耗、 單電源CMOS儀表放大器,能夠?qū)⒑蠖藫Q能器接收的信號放大至原來的數(shù)倍再傳入GP22中,從而大大提高了***終測量結(jié)果的精度; MD0100作為T/R開關(guān),其原理是低壓導(dǎo)通,在這里起到了兩個(gè)作用: 1保護(hù)后端電路不被高壓所擊穿; 2充當(dāng)模擬開關(guān),發(fā)送時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),接收時(shí)切換為開啟狀態(tài)。

 該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的礦用超聲波流量計(jì)有電池供電和煤礦供電站供電兩種方式,電池供電是一組3. 6 VDC 1 300 m AH鎳氫電池,供電站供電除了流量計(jì)還需要給其他許多設(shè)備供電,無論哪種方式,流量計(jì)的功耗必須進(jìn)行控制,就必須采用低功耗設(shè)計(jì)手段。

 設(shè)備的功率損耗,簡稱功耗,指其硬件電路器件上輸入功率和輸出功率的差額。功率公式為:

 式中: U—工作電壓,I—工作電流。

 流量計(jì)輸入端電池供電電壓U為3. 6 V,電流I為整個(gè)電路電流總和,由于電壓值基本固定,一般采取措施降低電流消耗,從而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)低功耗要求。本研究從硬件電路和軟件程序兩方面考慮采取對應(yīng)措施,從而實(shí)現(xiàn)流量的超低功耗。

  隨著設(shè)計(jì)流程的發(fā)展,芯片的集成度達(dá)到了上千萬門級。一顆***的芯片總功耗就可以達(dá)到驚人的100 W ~ 150 W,單位面積功耗可以達(dá)到50 W / cm2~ 75 W / cm2,而局部熱點(diǎn)的功耗更大。因此對于電池供電設(shè)備,芯片功耗的問題不容忽視。

   本研究在硬件低功耗設(shè)計(jì)上從以下幾個(gè)方面采取措施降低系統(tǒng)功耗: 1MCU選型,系統(tǒng)選用EFM32芯片作為核心處理器,主要從兩方面考慮: 具有創(chuàng)新性的低功耗技術(shù),休眠模式下電流達(dá)到級別; 作為一款32位處理器,具有豐富的外設(shè)接口以及強(qiáng)大的運(yùn)算能力, 滿足了流量計(jì)功能要求; 2數(shù)字時(shí)間芯片選型,TDCGP22不僅僅是計(jì)時(shí)芯片,同時(shí)也是針對超聲波熱量表 ( 流量計(jì)) 所設(shè)計(jì)的專用集成芯片,3 V供電時(shí)流入高速振蕩器的電流為130 μA/s,實(shí)際應(yīng)用中高速晶振的開啟時(shí)間大約為2 ms,其平均功耗為0. 26 μA,相比較傳統(tǒng)分立元件搭建的接收發(fā)送電路,功耗上是一個(gè)極大的提升; 3此外,系統(tǒng)每個(gè)功能模塊都配有一個(gè)電源控制電路,獨(dú)立開啟或關(guān)閉當(dāng)前模塊電源供給,極大降低電路不必要的電流消耗,控制電路如圖4所示。

  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是EFM32TG842的程序設(shè)計(jì), 分為以下幾個(gè)部分: 流量、溫度、壓力和濃度參數(shù)的采集和優(yōu)化處理; 系統(tǒng)軟件根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔將歷史數(shù)據(jù)存儲至鐵電中; 通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示儀表數(shù)據(jù),能通過鍵盤模塊修改內(nèi)部設(shè)定參數(shù); ***后實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)的串口通訊,其程序流程框圖如圖5所示。

  程序主要分為工作和休眠兩個(gè)部分。工作時(shí),程序開啟高速時(shí)鐘,各模塊電源供給,進(jìn)行流量、溫度、壓力和濃度數(shù)據(jù)采集,并實(shí)時(shí)顯示到液晶上; 采集完畢, 程序關(guān)閉時(shí)鐘,關(guān)閉各模塊電源供給,進(jìn)入深度休眠, 等待下一次喚醒。

  系統(tǒng)程序主要從控制工作時(shí)鐘頻率、合理開啟和關(guān)閉電源供給、采集算法優(yōu)化以及進(jìn)入芯片低功耗模式這幾個(gè)方面進(jìn)行程序編寫。

( 1) 工作時(shí)鐘頻率控制。系統(tǒng)采用32 MHz和32. 768 k Hz兩種晶振配合使用,不同模塊所需要的工作頻率也略有不同。動態(tài)配置系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率是以不犧牲系統(tǒng)的性能和實(shí)現(xiàn)基本功能為前提,動態(tài)管理系統(tǒng)的工作頻率來降低功耗。時(shí)鐘頻率是影響動態(tài)功耗的重要因素,它的工作頻率越高,功耗也越大。但是在很多時(shí)候,所有模塊并不是工作在同一時(shí)鐘頻率,或者同一個(gè)模塊在不同的時(shí)段可以工作在不同的時(shí)鐘頻率。因此,程序需要針對系統(tǒng)不同時(shí)段所需的時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)度: 只有當(dāng)芯片工作需要高頻時(shí)鐘時(shí)開啟,其余時(shí)間切換成低頻時(shí)鐘,保證基本工作需要。

( 2) 模塊電源供給管理。系統(tǒng)通過CPU管腳控制穩(wěn)壓電源芯片工作使能管腳狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)電源供給開啟和關(guān)閉要求?？刂屏鞒倘缦? 程序根據(jù)標(biāo)志位來決定模塊是否工作,通過CPU管腳開啟即將工作的模塊的獨(dú)立電源,初始化芯片內(nèi)部寄存器并開始工作,工作結(jié)束關(guān)閉該模塊電源供給。如此保證了模塊不工作時(shí)無電流消耗,從而降低整個(gè)系統(tǒng)功耗

( 3) 算法。系統(tǒng)主要針對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)在保證數(shù)據(jù)度前提下,提升采集速率,減少工作時(shí)間,使得工作時(shí)間減少,降低系統(tǒng)的功耗。不過由于采集數(shù)量小,效果不是很明顯。

超聲波流量計(jì)作為礦用參數(shù)監(jiān)控儀表,測量精度是一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)。為了提高系統(tǒng)的測量精度, 就必須對影響測量精度的可能因素進(jìn)行分析、研究,然后采取行之有效的方法盡可能地減少甚至消除各種誤差。根據(jù)上文所述的時(shí)差法核心算法分析可知,本研究將系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的可能因素分為機(jī)械、硬軟件兩個(gè)方面[10],并分別提出相應(yīng)措施,具體如下。

機(jī)械方面,根據(jù)流量計(jì)算公式可知,流速V與上下游換能器間距L成正比關(guān)系,所以間距L是影響聲速的一個(gè)較為重要的因素。在實(shí)際測量中,本研究采用千分尺、等精度較高的長度測量儀器去測量換能器間距,其誤差一般能控制在小于0. 5% ; 此外超聲波換能器的安裝角度 θ 為換能器間距L和管道中心軸的夾角,倘若該夾角有0. 1°的測量誤差,那么將導(dǎo)致1. 7% 的流量測量誤差。因此在實(shí)際產(chǎn)品安裝過程中,必須合理、地安裝換能器,這樣才能減少不必要的誤差產(chǎn)生; 一般情況下,礦井內(nèi)的傳輸管道均為圓形,管道內(nèi)徑是流量計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵因子,由式( 11) 可知,流量與管道內(nèi)徑的平方成正比,因而它的測量誤差將直接影響氣體流量的測量精度。在實(shí)際加工中,管道內(nèi)徑長度的加工誤差是無法避免的,只能在計(jì)算時(shí)進(jìn)行一些有效地修正,以減小內(nèi)徑的測量誤差對測量精度的影響。

( 1) 硬件方面。在實(shí)際測量過程中,超聲波信號在非氣體中的時(shí)間延遲是難以避免的,主要有: 電路延遲、程序執(zhí)行延遲、換能器電聲轉(zhuǎn)換延遲和電纜延遲等。因此設(shè)計(jì)過程中需要通過一定的理論分析和實(shí)際測試確定信號的傳播延時(shí),但是誤差還是難以避免。 為了盡量減少由非氣體傳播延遲帶來的影響,除了對已確定的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行軟件補(bǔ)償之外,還要注意電路設(shè)計(jì)、PCB板布線和換能器電纜安裝的對稱,由流量計(jì)算公式可知,是否能***大程度減少誤差由順、逆流對稱情況決定。

( 2) 軟件方面。該系統(tǒng)選用了TDC高精度流量計(jì)時(shí)間測量芯片,使得時(shí)差測量分辨率達(dá)到ps級別。

在實(shí)際測量過程中,程序采用多次測量順逆流時(shí)間差值并剔除異值,***后求平均得到 Δt代入流量計(jì)算公式求值,如此做的好處是一定程度上提高了測量精度,但是這種普通平均的方法是無法消除量化誤差的, 因?yàn)?**小的量化階越已經(jīng)固定,平均只能***高達(dá)到***小量化階越的精度。解決方案是: 微處理發(fā)送指令配置寄存器,開啟TDC內(nèi)部集成的一個(gè)噪聲單元,這個(gè)噪聲單元主要功能就是在多次采樣取平均值的時(shí)候***大限度消除噪聲。通過這個(gè)噪聲單元的引入,使平均后的精度能夠低于量化階越的精度。此外通過微處理設(shè)置TDC接收信號比較閥值,剔除了小幅度雜波,對提高測量時(shí)間差值具有重要作用。

  實(shí)驗(yàn)過程中,軟件控制TDC-GP22產(chǎn)生一組3. 3 V、 200 k Hz的脈沖,通過信號驅(qū)動模塊升壓至24 V,如圖6中波形一所示,波形幅值、頻率均達(dá)到預(yù)期設(shè)定效果; 下游換能器接收信號如圖6中波形二所示,***大幅值A(chǔ)為 ± 20 m A。盡管后端加入了濾波電路,仍不可避免引入少量噪聲、雜波等干擾信號,因此軟件設(shè)置屏蔽窗口DELVAL值為10 m V,意味著接收脈沖幅值只有達(dá)到10 m V,計(jì)數(shù)器才開始計(jì)數(shù)加一,如此保證了波檢測精度以及剔除了噪聲、雜波信號干擾,波接收時(shí)間t如圖6所示。

  實(shí)驗(yàn)通過音速噴嘴氣體流量測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定, 管徑大小為25 mm,大氣壓力102. 679 k Pa,環(huán)境溫度14. 1 ℃ ,檢定流量點(diǎn)為5 m3/ h,14 m3/ h,28 m3/ h和70 m3/ h,通過記錄超聲波流量計(jì)表頭數(shù)據(jù)并與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行誤差計(jì)算與分析,檢定結(jié)果如表1所示。

由檢定結(jié)果表可以看出該流量計(jì)在所測流量范圍內(nèi)精度誤差為0. 09% ~ 0. 18% 之間,達(dá)到一級精度, 檢定結(jié)論為合格。

  本研究深入研究了時(shí)差法測量流量原理,結(jié)合當(dāng)今超聲波流量計(jì)開發(fā)的新技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于超低功耗單片機(jī)EFM32和高精度流量計(jì)時(shí)間測量芯片TDC-GP22的新型礦用超聲波流量計(jì)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于摒棄了傳統(tǒng)流量計(jì)采用分立元件搭建接收發(fā)送電路的思想,選用TDC-GP22作為時(shí)差法核心元件搭建測量模塊,配合外圍功能模塊電路,實(shí)現(xiàn)了對流量、溫度、甲烷濃度和壓力等參數(shù)的采集,同時(shí)對提高測量精度和降低系統(tǒng)功耗提出了對應(yīng)措施,***后通過音速噴嘴氣體流量測試系統(tǒng)對該流量計(jì)進(jìn)行了流量檢定。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該流量計(jì)在所測流量范圍內(nèi)誤差低,達(dá)一級精度,平均功耗僅為50 μA,較傳統(tǒng)流量計(jì)有眾多優(yōu)勢,有一定的市場推廣使用價(jià)值。