小口径液体流量测量装置的设计与开发文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

国外现状：国外发展较早，最早提出流量测量的是1738年在瑞士，物理学家丹尼尔研究出通过差压法测量流体流量，但是由于种种原因以及当时技术的落后，被迫放弃了设计原机型。之后又出现在意大利，物理学家文丘里在丹尼尔研究的基础上，也是利用流体压差的原理进行借鉴，最终设计出了文丘里管对流体进行测量，并于1789年公开了这种算法，此测量方式应用至今。1886年，美国人赫谢尔又在文丘里管算法的基础上，制成了测量水流量的原机型，很快被广泛应用，也为后续流量计的设计提供了基础的条件。1910年，美国人提出槽式流量计的设计，采用节制流入或者流出的方法来测量流体，主要用来测量由自由流出排水条件的河道流体总量。1922年，帕歇尔将水槽测量的流量计改造为帕歇尔水槽。在水槽流量计发展的期间，美籍匈牙利人卡门开始研究涡街理论。1928年法国的 O.Rutten成功的发明了史上第一台超声波流量计，这是超声波流量计的概念正式被提出，同时也是研发者第一次提出非接触式的仪表。到了30年代，现有的理论成熟的基础上，又提出了研究应用流体对声波的方法来检测流体的流量，这种方法被称为声波测量流量，但此方法并没有得到实践与应用，直到第二次世界大战为止也没有获得很大进展。到1955年，马克森流量计的问世，这激发了超声波测量流量技术的迅速进步，经过大量研究，出现了时差法和相关法等，但仍未能巩固超声波流量计在市场上的地位。20世纪70年代后，集成电路技术的迅速发展和广泛地应用，使得超声波流量计迅猛发展和受业界的关注，开始朝着功能多样化、体积小型化、使用稳定化、精度精密化的方向发展。到20世纪90年代初期，新技术智能化的信息不断涌现，也推动着计量产业的发展，在日本、美国、西欧等地区流量计的销售已占到15%-30%以上，现如今最先进的超声波流量计都主要集中在这些国家。近些年来，流量计技术随着物联网技术的发展也在不断的完善以满足用户的需求。目前，西方欧美等国家对流量计的研制已达到80余种，如差压式流量计、浮子式流量计、容积式浮子式流量计、容积式流量计、超声波流量计、电磁流量计等。

近几年来，全世界50多家较大的流量计生产商都集中于欧美日等国家，比如知

名的美国Texaco公司、美国Agar公司、美国MFI公司、日本KOFLOC流量计公司、日本流量计 oval、德国的Krohne和荷兰的Instrormet等等，这些公司利用本身具有的工业制造优势和先进电子技术以及研发和生产上丰富的经验，由于其技术比较先进、精确度高，在整个全球市场上占据了非常大的份额，并主导着流量计的发展趋势。

国内研究现状：

20世纪初，我国开始研制流量计，在20世纪30年代由光华精密机械厂所制造出国内第一台流量计，这标志着我国有了自主研发流量计的能力。之后光华精密机械厂又不断的得到国家的扶持以及科研人员的大力支持。在50年代时，又结合国外的文丘里管算法原理，研发了一款基于文丘里管原理的流量计。20世纪60年代后，新技术、新思想开始引进国内，在上海的流量计研发所和北京大学等国内实力比较强的公司和学校也开始陆续着手对流量计进行研发，仅研制出了涡轮以及电磁流量计。在80年代左右，国内一些比较出名的仪器仪表设计公司如唐山汇中，借鉴美国流量计的先进技术，研发并生产出了第一批符合国家标准的超声波流量计。唐山汇中至今在国内流量计领域具有较高声誉。

国内自上世纪90年代起，1994年由国家技术监督局和建设部批准发布JJG 0002-94超声流量计部门计量检定规程，这对国内超声波流量计的发展有重要的意义。

JJG0002--94超声流量计计量检定规程抬头

2002年，曹永茂等人针对高噪声环境中的流量计信号进行了数学分析尤其是超声波流量计，2006年，李明伟等对款波束的超声波测流量进行了研究，并分析了管道中的声场分布。在超声波流量计的设计中，时间尺度小给时差法带来很大的难度，针对检测微小时间差的方法，刘晓宇借鉴“游标卡尺”的测量思路,时间比例放大技术,提出了实用的微小时间差测量方法,对时间差先放大,后测量,且放大比例可以通过反馈自动调节[1];胡红亮针对流量检测当中超声波信号较强,提出了差分单频可控脉冲相移法的微小时差测量方法,时间分辨率可达2ns，应用于超声波热量表的流量检测[2]；而高精度时间数字转换芯片如TDC-GP2的应用，也使这个问题得到了很好的解决。2013年，浙江大学流体传动及控制国家重点试验室丁凡等提出一种新型超声波流量计。

而温度的影响是目前超声流量检测的另一个关键点，2014年，华中科技大学修吉平等研制出一种热式气体超声波流量计，它区别与普通的流量计易受到温度、环境等状况变化而影响精度，应用传热原理。王璐在小流量超声水表的研究中，利用温度传感器PT1000对管段内流体的温度进行测量,实现了流量测量的温度补偿[4]；鲁志成采用了最小二乘曲面拟合法对温度和瞬时流量造成的流速偏差进行修正[5]；秦凡尝试在理论部分避免温度误差，精确度符合国家2级冷水表规范，但仍受到温度影响[6]；王玉琢等人在18年提出了一种时差式超声波流量计改进方法：倒差式，提供了一种新式的超声流量检测时差法的原理思路。

近几年来，我国超声波流量计技术有了很大发展，但是我国市场上的超声波流量计产品大多还未能符合国际要求，依旧依赖于国外的先进流量计，并且测量精度没有达到2%，在硬件电路设计集成、芯片设计、换能器设计、信号处理技术和时间测量技术等方面都落后于发达国家。虽然我国很多企业自主研发了多种超声波流量计，但国外的产品仍然占据着我国主要市场。因此，研发智能化、高精度的超声波流量计已成为我国面临的一个重要问题。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

测量方案分析：

测量方案主要有如下几种：

1. 直管“Z”字型

一对两个超声波换能器在直管错开在直管的两个垂直位置，并面朝对方，如同一个英文字母“Z”排列，并以正向发射一次和逆向发射一次为一个测量周期，两次分别加上、减去水流的速度，以时间差计算液体流速。该方法的优点是不用干扰水流方向，不接触式测量，安装相对简单，器材需求最小，原理相对最简单。

图1.Z字形

1. 直管“X”型

两对四个超声波换能器在直管错开在直管的两个垂直位置，4个换能器朝向其组成的几何中心（分别面对与自己一组的换能器），如同一个英文字母“X”排列，一对为正向测量，一对测量反向，以同一时间的两次收发作为一个测量周期。该方法的优点是正反的测量是同时的，但是需要区分两个波，安装成本高，器材需求大，原理与1一致但处理复杂大大增加。在流速容易变化的场景下的误差小。

图2.X型

1. 直管“V”型

与“Z”字型类似，但在第二个换能器后加装一个与1等距的换能器，如同一个英文字母“V”，且只将中间的作为发送器，两侧的作为接收器，获取正反传播时间差，原理简单且拥有“X”型的同时性优点，成本介于以上两者之间，原理难度与1接近，缺点是不能确保管段之间的流速是均匀的，在一些场景下存在误差，且需求校准3个换能器之间的距离一致，校准难度大。

图3.V型

1. U字型

改变管道形状，引出一个“U”字型管，在“U”字型管的下端横管两端外直接安装两个相对的换能器，或者在直管内加入反射柱改变声路为U型。发送和接收的原理与1一致。优点是安装方便，简单直观，计算上和前三种不同，但是改变管道形状会影响液体流动的分布，这与非接触式的理念不符合。

图4.U型

以“Z”字型为例利用时差法的测量基本原理如图n，收发转换电路控制与接收两个换能器交替发送与接收。

图5.时差法测量原理

图6.正逆传播波型表示

接收到的两次波的时间差分别为顺流传播时间t1和逆流传播时间t2，测得两个时间计算时间差，可以结合公式计算出水流的当前速度，顺流的时间：

（1）

逆流的时间：

（2）

得时间差为：

（3），其中cgt;gt;v

化简为：

（4）

瞬时流量为：

（5）

改进后的新型时差法可由顺逆流公式（1）（2）化简v

（6）

而瞬时流量公式化简为：

（7）

，这个公式避免了温度对超声波速度c的影响，之与硬件条件和顺逆流传递时间t1，t2有关，增加了精确性。此外还会有管道分布的影响，需要加入雷诺数Re=对超声波流量测量进行补偿k。Re在流速很低时（小于2300），k=4/3。

分析以上方案的优缺点，考虑选用“Z”字型和“V”字型的方案，一方面原理可行，误差来源可避免/忽略，另一方面安装难度和成本较低，安装和原理接近，可以互为替换。

硬件方案：

1.处理器方面，采用stm32系列单片机作为主控，主频高，可达72Mhz，响应快速，判别精准；

Stm32：STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortexreg;-M0，M0 ，M3, M4和M7内核。

选用的103系列具有以下性能：

内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。

调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。

3个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

图7.Stm32芯片引脚

电路选择使用定制PCB电路板，单块板完成全部功能，前期开发可配合核心板与分立元件电路验证方案可行性；

1. 传感器

选用市面上的1Mhz超声波压电型换能器一对（型号为WK-21D），

图8.超声换能器：WK-21D 性能参数如下

表1.WK-21D参数

此参数中可知，激发条件电压需求不高，3-5V可达要求，常温下的性能较好；

1. 其他电路：

使用stm32的IO引脚，配合驱动电路，完成固定数量（10）个周期的驱动脉冲，便于接收；由超声换能器表可知，超声换能器属于压电陶瓷，根据压电陶瓷振子的厚度压缩/膨胀模式的克里姆霍尔兹等效电路（图9），双极性电压驱动电路不仅对压电振子施加沿极化方向的激励，并且在压电振子压缩后对其施加沿极化方向的反向激励，如（图 10 所示，在 正向激励区间（图10：０～Ｔ０，Ｔ１～Ｔ２等等），过程同单向电压驱动，即ｄ２＝ｄ１，Ｅ２＝Ｅ１，如图11所示。

图9.压电陶瓷等效电路

图10双极性电压驱动激励源

图11.双极性电压驱动压电振子状态图

为了满足上述的双极性驱动，而不繁复的引入用途较小的负电压，采用双极性驱动电路，双极性电压是利用对同一信号制造相位差，以交流驱动的形式产生的双极性电压，如图12所示。

图12.双极性电压驱动电路

根据以上的驱动电路方案，设计以下实际电路，如图13所示，能量放大部分是高速光耦电路，以满足高频（1Mhz）的驱动需求和隔离需求；双极性电压驱动电路由一个6路施密特反向器和外接电路完成，满足单电压对超声换能器的双极性电压驱动。

图13.换能器驱动电路

由于换能器的压电陶瓷特性，同时可以接收特点频率的超声波，产生相同频率的电压信号，需要一个回波接收电路完成它与cpu的交互。回波接收电路并不是独立的整体。回波接收电路由三大部分组成，即电平控制电路、带通滤波器和前置放大电路，典型总体结构如下图14：

图14.超声换能器回波接收电路原理

前置放大电路需求的放大倍数可适当大，如，使用lm385运放做前置放大电路，电路设计如图15

图15.前置放大电路

带通滤波电路可以采用分立元器件组成，目的是分离被放大的杂波，取留接收目标的电信号1Mhz。电平控制电路主要避免io口电压过高破坏功能或过低无法检测，使用第二个放大电路和3.3V以下的反向稳压二极管保证电压控制在合适范围内，电路设计如图16所示。

图16.滤波与压控电路

上述发送和接收部分，采用电子开关芯片，切换发送换能器和接收换能器的电路，以达到一对换能器交替完成发送和接收；如图17所示

图17.电子开关电路设计

另外，单片机无法准确辨认小时间差，需辅以高精度时间转换芯片或小时间测量理论加以测量，提高精度。

以上是完成方案的组成硬件方案，为满足设计目标，以上选用都以需求低、性能尽可能优良为目标，且各部分的设计较为独立，调整方便，容易达到基本的硬件功能要求——发送并接收1MHz的超声波并测出时间差。结合前述的超声波测量原理公式（7），由测得的时间差计算出液体流量Q。

1. 进度安排：

项目周期安排自2018年12月底-2019年6月。

2018.12至2019.1：

调研相关文献，确定课题目标，完成不少于3个相关案例的比较和分析，选取合适的方案两个。

2019.2-2019.3：

根据确定的方案，细化各个部分的设计方案，调整方案并完成原理电路的设计；

选取合适的传感器与处理器的型号；

完成基本的功能测试和电路验证，确保方案各个部分的可行性。

2019.3-2019.4：

在各个部分的完成基础上，完成整个电路的测试、优化；

修正、更改失败的、不可实现的方案设计；

完成测试环境的搭建。

2019.4-2019.5：

进行数据测试，分析误差，增加精确性组件部分；

完成完全版硬件制作；

收集数据，做出测试报告。

2019.5-2019.6：

完成文档撰写。