基于ARM的超声波流量测量仪的设计与实现

　　0　引言

　　采用嵌入式微处理器ARM9作为超声波流量计的核心器件,结合Linux操作系统,简化了设计提高测量精度。设计还实现了流量计的系统自诊断、测量误差自动修正、复杂测量算法的实现和测量数据及时处理,可满足工业网络标准的数据通信,构成一个数字化、智能化的流量监测系统^[1]。

　　1　测量原理

　　图1为时差式测量圆形管道流体流量的原理图。换能器S₁, S₂以一定的间距安装在管道的一侧,成“V”字型,交替地发射和接收超声波,由于受流体流速的影响, S₁沿顺流方向发射超声波传播到S₂,与S₂沿逆流方向发射超声波传播到S₁的传播速度不同,因此, 2个传输信号之间产生了时间差,由此可求得液体的流速,再乘以管道的截面积就可以计算出流量^[2]。

　　设液体沿管道轴向的速度为v,声波在静止液体中的传播速度为c,超声波顺流、逆流传播的速度分别为v₁和v₂,声波传播路径的长度为L_p.声波传播方向与管道轴线之间的夹角为θ.则此时顺流、逆流传播的时间t₁和t₂为

　　由于式(1)中c与流体的种类、温度、压力等一些物理参数有关,因此,为了消除它的影响,将上式变换得到流体的流速为

　　因此,超声波正反向传送的时间t₁, t₂的测量精度直接确定着流速的测量精度。

　　2　系统结构和工作原理

　　测量系统的硬件结构如图2所示,系统的硬件构成有超声波控制系统和基于ARM +Linux操作系统2部分,实现了超声波信号的激发/检测,数据显示和键盘输入,网络通信等功能。

　　2·1　超声波系统

　　该部分主要由超声波发射、接收和开关控制电路等部分组成。为了防止模拟和数字信号工作时相互干扰,将模拟部分独立制作在一块印刷电路板上。开关控制电路使S₁, S₂2个换能器交替做接收和发射用。发射电路在窄脉冲的控制下,经驱动电路后产生高压脉冲。换能器中的压电晶片受发射脉冲的激励产生振动,发射超声波。接收换能器的晶片接收超声波的振动,引起形变时转换成相应的电信号。尽管发射部分的电压比较高,但接收换能器接收到的电压幅值,粗管径为数百mV,细管径只有几mV.因此,接收模块需要对接收到的信号进行放大。放大电路由限幅电路、前置放大、带通滤波放大、程控放大、脉宽检测、过零比较等电路组成。发送和接收脉冲的2个前沿的差值即是超声波传输的时间。因为接收换能器接收到的是正弦波,其瞬时值和放大倍数有关,如果采用通常的幅度鉴别技术,形成接收脉冲,可能因为放大倍数的差异或干扰带来测量误差或误判。因此,该设计对收到的信号放大后先进行脉冲鉴宽,排除干扰,然后,进行过零比较提高测量精度。为了提高准确度,使用超声波检测时要对温度进行补偿。该系统采用集成温度传感器AD590进行温度补偿,它有良好的互换性和线性。信号经过运算放大器后,再送入A/D转换器进行A/D转换,然后在处理器进行温度补偿的计算^[3]。