基于STM32和FPGA的超聲波氣體流量計(jì)

葛健炎，丁 煜

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225100)

0 引言

流量計(jì)在石油冶煉、氣體輸送、化工生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。按照流量計(jì)檢測方式的不同，流量計(jì)大致可以分為以下4類：渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、熱式流量計(jì)以及超聲波流量計(jì)。其中超聲波流量計(jì)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到迅速的發(fā)展。隨著西氣東輸工程的不斷推進(jìn)，迫切需要一種能準(zhǔn)確、快速測量大管徑天然氣流量的儀表，因此出現(xiàn)了基于超聲波傳感器的氣體流量計(jì)。與傳統(tǒng)氣體流量計(jì)相比，超聲波氣體流量計(jì)具有不與被測介質(zhì)直接接觸，不受介質(zhì)溫度、氣壓等參數(shù)的影響。而且在大管徑氣體流量測量方便，超聲波氣體流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)顯著，因其內(nèi)部沒有阻擋體，壓力損害比較小。超聲波氣體流量計(jì)已成為西氣東輸項(xiàng)目中天然氣管道流量檢測的重要儀表之一[2-3]。

1 超聲波時(shí)差法氣體流量測量原理

超聲波時(shí)差法氣體流量測量原理是利用超聲波在管道內(nèi)順流和逆流流動(dòng)的時(shí)間差來計(jì)算待測氣體的流量[4]。檢測原理框圖如圖1所示，將超聲波傳感器T1、T2按圖1的方式安裝到管道上，2個(gè)超聲波傳感器與水平方向的夾角為θ，待測氣體的流速設(shè)為v，管道的直徑設(shè)為D，超聲波在管道中傳播的速度設(shè)為C。

圖1 時(shí)差法檢測原理圖

當(dāng)超聲波傳感器T1發(fā)送超聲波，而超聲波傳感器T2接收超聲波時(shí)設(shè)為超聲波順流方向傳播，順流傳播時(shí)間設(shè)為t1；相反，當(dāng)超聲波傳感器T2發(fā)送超聲波，而超聲波傳感器T1接收超聲波時(shí)設(shè)為超聲波逆流方向傳播，逆流傳播時(shí)間設(shè)為t2?？傻茫?/p>

(1)

(2)

則順流、逆流傳播的時(shí)間差為

(3)

一般情況下C2>>v2cos2θ，因此根據(jù)式(3)，可得待測氣體的流速v為

(4)

由于管道的直徑為D，因此可得待測氣體的流量Q為

(5)

式中:S為管道的截面積；v為待測氣體的流速。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是將一對(duì)收發(fā)一體的超聲波傳感器安裝在待測管道的兩側(cè)，通過CPLD+AD9754的方式產(chǎn)生高精度的正弦波激勵(lì)信號(hào)，再經(jīng)過功率放大后再去激勵(lì)超聲波傳感器，通過繼電器切換開關(guān)切換2個(gè)超聲波傳感器的收發(fā)信號(hào)，利用CPLD內(nèi)的高精度計(jì)時(shí)器記錄超聲波順流、逆流傳播的時(shí)間差，最終通過式(5)計(jì)算得到待測氣體的流量[5]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波氣體流量計(jì)硬件主要是由超聲波收發(fā)一體傳感器、超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)/接收電路、信號(hào)調(diào)理電路以及通訊電路組成[6-7]。超聲波驅(qū)動(dòng)電路用于激勵(lì)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，而超聲波接收電路用于接收超聲波并將其轉(zhuǎn)換為可被處理的微弱電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路的作用是對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，最終根據(jù)發(fā)射和接收到超聲波的時(shí)間分別計(jì)算得到順流和逆流傳播的時(shí)間差，再利用相關(guān)算法計(jì)算得到待測氣體的流量，通過串口通訊的方式將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

3.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波是基于正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理[8]。正壓電效應(yīng)即利用正弦波激勵(lì)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)；逆壓電效應(yīng)則與之相反，其是將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。系統(tǒng)選用用于氣體流量檢測的超聲波傳感器120KHF25。該型號(hào)超聲波傳感器的中心頻率為125 kHz，發(fā)射靈敏度20 dB，阻抗約為300 Ω，激勵(lì)電壓的峰峰值約30 V。

3.2 正弦波激勵(lì)信號(hào)

信號(hào)源的精度是系統(tǒng)測量準(zhǔn)確的重要保證，因此系統(tǒng)采用FPGA+AD9754的方式產(chǎn)生高精度的激勵(lì)信號(hào)源[9]。首先STM32通過I/O口控制FPGA，將激勵(lì)信號(hào)的頻率、相位以及幅值等信息送到FPGA中，利用VHDL語言對(duì)FPGA編程，每隔一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)14位的離散數(shù)字量，AD9754再將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的正弦波信號(hào)，最終通過二階低通濾波器濾除信號(hào)中的高頻分量以得到光滑的正弦波激勵(lì)曲線，正弦波激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路圖如圖3所示。

圖3 正弦波激勵(lì)信號(hào)電路圖

3.3 功率放大電路

由于超聲波在管道中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，導(dǎo)致超聲波接收傳感器不能完整的接收到超聲波信號(hào)[10]，因此需要對(duì)系統(tǒng)輸出的正弦波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，將激勵(lì)信號(hào)的峰峰值提高到30 V。系統(tǒng)選用推挽式功率放大電路，其中電容C31的作用是進(jìn)一步濾除信號(hào)中的直流分量，二極管D4、D5是為了避免交越失真，變壓器T1一方面是提高信號(hào)源的激勵(lì)電壓，另一方面的作用是與超聲波傳感器進(jìn)行阻抗匹配，已達(dá)到最高發(fā)射功率。推挽式功率放大電路如圖4所示。

圖4 推挽式功率放大電路圖

3.4 超聲波接收電路

超聲接收探頭的功能是將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)十分微弱，約為mV級(jí)?？刂破鞅旧頍o法處理微弱的電壓信號(hào)，因此必須對(duì)此微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大[11]。系統(tǒng)選用二級(jí)放大電路對(duì)超聲波傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大，第一級(jí)放大電路采用差分放大電路的形式，主要是由低溫漂、高精度的精密運(yùn)放AD8610和阻容器件構(gòu)成。第二級(jí)放大電路在信號(hào)調(diào)理部分，圖5為超聲波信號(hào)接收電路圖。

圖5 超聲波接收電路圖

3.5 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路是由第二級(jí)放大電路和二階低通濾波電路組成。第二級(jí)放大電路是繼續(xù)放大第一級(jí)放大電路輸出的信號(hào)，將信號(hào)的幅值調(diào)整到合適的范圍便于單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣[12]。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)噪聲信號(hào)和干擾信號(hào)也隨之被放大，有效信號(hào)往往被淹沒在噪聲信號(hào)中。因此需要通過二階低通濾波電路來濾除信號(hào)中的高頻干擾和噪聲信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路圖

第二級(jí)放大電路由高精度運(yùn)放TSZ121及其阻容器件構(gòu)成，二階低通濾波電路是由運(yùn)放AD817構(gòu)成，經(jīng)過第二級(jí)放大和濾波之后再將信號(hào)發(fā)送到控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為STM32最小系統(tǒng)控制軟件和FPGA最小系統(tǒng)控制軟件兩部分。其中STM32控制系統(tǒng)采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil 5；而FPGA采用VHDL語言編寫，編譯環(huán)境為Quartus。首先系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化操作，當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，F(xiàn)PGA內(nèi)部編程輸出數(shù)字量信號(hào)給AD9754，最終AD9754形成正弦波模擬信號(hào)去激勵(lì)傳感器，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)接收傳感器接收到信號(hào)并被單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)，表示接收過程完成，此時(shí)定時(shí)器關(guān)閉，記錄此段的時(shí)間。分別切換2個(gè)超聲波傳感器來求得順流和逆流傳播的時(shí)間t1、t2，最終計(jì)算得到時(shí)間差，再根據(jù)公式(5)計(jì)算得到氣體流量。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)的穩(wěn)定性及測量準(zhǔn)確性，搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)管道直徑為DN200，管道中的氣體為空氣，利用壓縮機(jī)將空氣輸送到管道中，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中氣體的流量。在管道上分別安裝本文設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)和購買的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)，以購買的流量計(jì)測得數(shù)據(jù)作為依據(jù)，將它測得的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)做對(duì)比，來驗(yàn)證系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先對(duì)系統(tǒng)作如下測試：開啟超聲波氣體流量計(jì)，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道內(nèi)氣體的流量，在每一個(gè)狀態(tài)下測量3組數(shù)據(jù)，每組間隔5 min，共測量8組數(shù)據(jù)。比較每組數(shù)據(jù)的波動(dòng)，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性，在低流速段，即空氣流速約1 m/s時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的重復(fù)性大于1%；當(dāng)隨著氣體流速增加，系統(tǒng)表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性，即重復(fù)性小于0.2%。

驗(yàn)證完系統(tǒng)的穩(wěn)定性之后，開始進(jìn)行準(zhǔn)確性測試。同時(shí)開啟超聲波氣體流量計(jì)和購買的氣體流量計(jì)，2個(gè)流量計(jì)可同時(shí)顯示當(dāng)前氣體的流速和流量，根據(jù)式(5)可知，當(dāng)檢測環(huán)境相同時(shí)，流量的大小只與流體流速有關(guān)，因此只對(duì)流速進(jìn)行分析。通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)來改變管道內(nèi)氣體的流速，在開機(jī)穩(wěn)定后再開始測量，共檢測8組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，在低流速時(shí)，系統(tǒng)的檢測誤差較大，相對(duì)誤差小于8%；隨著流速的提高，系統(tǒng)的測量精度也逐漸提高，在高流速時(shí)，即流速大于10 m/s時(shí)，系統(tǒng)檢測的相對(duì)誤差小于1%。

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超聲波氣體流量計(jì)采用了雙MCU，即STM32和FPGA。在激勵(lì)信號(hào)方面選用FPGA+AD9754的方式產(chǎn)生高精度的激勵(lì)信號(hào)源，從而保證系統(tǒng)的檢測精度。利用FPGA內(nèi)部搭建的定時(shí)器來計(jì)算順流和逆流傳播的時(shí)間，提高了系統(tǒng)對(duì)時(shí)間檢測的精度，進(jìn)一步的提高了系統(tǒng)的精度。實(shí)際測試結(jié)果表明，在低流速測量時(shí)，相對(duì)誤差較大約8%；隨著氣體流速的增加，系統(tǒng)測量精度逐漸增加，在流速超過10 m/s時(shí)，相對(duì)誤差小于1%。