张庭亮, 甄倩倩

(1. 安阳工学院 电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000; 2.安阳师范学院 软件学院，河南 安阳 455000)

不论是农业灌溉方式的改进、城市污水处理能力的提高还是江河水资源现状的监测，都需要流量检测的支持[1].国家正在实施的大中型灌区节水改造工程的重点是干支渠的衬砌与配套，灌区水利信息管理的实时化与现代化，内容相当广泛；其中明渠流量实时监测是其核心内容之一，是推动计量灌溉，促进灌区节水和提高农作物水分生产率的基础.

现在，灌区应用很广泛的流量测量方法主要有：容积式测量方法、压差式测量方法、流体阻力式测量方法、速度式测量方法[2].随着灌区流量测量的要求不断提高，精度不断细化，很多方法由于施测计算复杂、成本较高等因素逐渐接近淘汰.超声波在流体中传播时，将会携带流体流速信息.通过检测超声波传播速度信息，可以获得液体的流速信息，进而获得流量信息.在超声波流量计的研究方面，很多学者[3-10]已经做了一些工作.在前人工作的基础上，提出了以多声道时差法为基础，使用高性价比、低功耗S3C6410为CPU，实现实时通讯传输的监测系统，具有较好的实时性和测量精度.

1 设计原理

1.1 时差法测量原理

在明渠的两侧，按一定的倾斜角t2安装一对波源A与B，由A向B传播的超声波顺流速度为超声波理论流速加上流体的流速，由B向A传播的超声波逆流速度为超声波理论速度减去流体的流速.顺流与逆流之间的差值结合已知的超声波本身的理论速度就可以得出流体的流速[11-12].图1显示了具体的测量过程.

图1 测量过程Fig.1 A schematic diagram of the measurement process

顺流传播的时间t1为

(1)

逆流传播的时间t2为

(2)

式中:D为管道直径；v为流体的流速；c为静水超声波速.

传播时间差为

(3)

由于流速远小于超声波自身的传播速度，在三角经验公式中，可以化简c2-v2cos2θ≈c2，进而得到简易公式

(4)

此时可得流体的流速为

(5)

工程应用中，我们可以看出，以上步骤所求的流速是一段距离内的平均速度，要获得明渠横断面上的瞬时速度，必须引入流体动力学中的分布系数进一步修正.

1.2 干扰类型与修正原理

实际测量中，流体温度及环境温度的变化会造成流体粘度及雷诺数的相继改变.进而改变传播过程中的阻力因素，波速也因此改变.对于温度的变化有两种修正方法，即数学模型法和温度补偿法.数学模型法对测量系统的总体精度提出了更高的要求，在后期信号处理过程中稍有偏差，整个实验结果便会因为蝴蝶效应归于失败.因此，系统采用了温度补偿算法.温度补偿算法通过测量流体的实时温度，对比获得检测瞬间超声波自身速度，在计算过程中使用这一数值，保证温度这一影响因子在检测瞬时的确定性与准确性.而且，温度测量的完成，也可以从侧面对实际测量结果进行校对，避免粗大误差.

不论从设计精度的角度还是从实际应用的角度，背景噪声以及超声波本身的混响都是不容忽视的.为了消除噪声及混响的干扰，硬件电路设计中，每一级信号放大后都加上了滤波电路.通过三级放大滤波，噪声及混响因素产生的干扰可以消除.

单声道的测量只能确定某一层流的速度或者说是某一截深度水流的平均流速.这一流速不能代表整个横断面的平均流速.采取多声道测量，取相邻声道的数据求得这两个声道围成的区域面积的平均流速，区域面积流速积分获得区域流量；再将多声道测量所得的数个区域流量求和得到很断面总体体积流量.理论上分析，多声路测量中的声道数与测量精度成线性增长.但是工程实际的测量经验得出，声道数量达到五声道后，增加声道的方法，不仅不会减小正向误差，相反，逆向误差的出现降低了测量精度.而且，市场上的测量探头成本不低，增加声道，增加了翻倍的成本.所以，设计采用五声道测量.

1.3 系统组成

超声波流量测量采用多声道时差法，为了便于实现温度补偿，要求测量时间足够精确.为了解决天然河道布线困难，维护不易，超声波发送与接收以及时间测量联动性差的问题，采用无线传输实现指令下达以及数据传输.收发切换可以更好的利用无线模块收发一体以及超声波换能器收发一体的特点，消除非对称性误差.系统的总体设计为：电源模块，S3C6410中央处理器模块，收发切换模块，时间测量模块，无线模块，超声波收发模块，显示模块，存储模块，键盘输入模块，通讯模块，温度测量模块.系统框图如图2所示.

图2 系统结构图Fig.2 The structure diagram of the system

2 系统硬件设计

超声波硬件设计原理繁杂，结构模块较多，篇幅所限，仅对有改进的模块设计予以介绍.

2.1 超声波收发模块的设计

超声发射电路采用了单脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成.TDC-GP2是ACAM公司通用TDC系列的新一代产品.它具有更高的精度和更小的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域.GP2具有高速脉冲发生器，停止处理信号的使能端，能实现温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用.采用TDC-GP2产生高速周期脉冲，经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器产生超声波.这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载(超声换能器)阻抗匹配.变压器与探头接成单端激励方式，具体的发射电路原理连接如图3所示.TDC-GP2发出的脉冲信号经放大和升压，在适合的能量区间值获得后驱动换能器.

图3 发射模块硬件图Fig.3 Schematic transmitter module

超声波在传播过程中，由于各种干扰不断减弱，接收端所能接收到的超声波信号十分微弱，有可能只有几毫伏.对这样小的信号进行检测处理，要想获得较为理想的效果，放大电路是重中之重.为了提高系统的精度，必须将系统中存在的噪声滤除.图4所示为超声波接收电路的整体硬件框图，采用三级滤波放大.

图4 超声波接收电路硬件框图Fig.4 The block diagram of ultrasonic receiver circuit hardware

接收模块的第一部分为高通滤波放大.选用 OPA2350 运算放大器，这种运放是高速单电源满幅度运放，带宽很宽，可达为38MHz.输入阻抗达 1013，适于匹配.放大 40dB.第二级为可控增益放大电路，由于采用多声道测量，每个声道都单独自成一体.为了实现整个系统的精确测量，必须根据接收信号的强度对每一路信号进行智能可控调节.经过多次实测，最后获得适合于某一特定区域的阈值电压与增益倍数.选用 AD603.第三部分与第一部分所选芯片相同，但是设计中电路采用带通滤波放大.三级放大电路设计如图5所示.

(a)第一级放大电路 (b)第二级放大电路 (c)第三级放大电路图5 超声波接收电路Fig.5 Ultrasonic receiving circuit

2.2 时间测量模块的硬件设计

采用 TDC-GP2 的测量范围 2 来测量超声波传播时间.在这种模式下，TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从 Start 信号上升沿到下一个基准时钟上升沿和 Stop 信号上升沿到下一个基准时钟上升沿的时间间隔(fine-counts)，而在两次精密测量之间，TDC 记下基准时钟(Tref)的周期数 (coarse-count).时间测量电路如图6所示.

图6 时间测量电路Fig.6 Time measurement circuit

2.3 无线传输模块的总体硬件设计

传统测量收发两端通过布线达到通讯的目的，实用性较差，限制了明渠的宽度.针对这一问题，在收发端采用无线模块采用C51RF-CC2520开发板.开发板集成了射频发送、接收，数据存储等功能，实测直径50m对发对收信号稳定.射频芯片采用CC2430. 不仅可以实现收发两端实时通信还可将测量数据及时传输给上位机.原理图如图7所示.

图7 无线传输硬件原理图Fig.7 The schematic digram of wireless transmission hardware

3 系统软件设计

系统测量过程的实现：首先主机中央处理器下达运行指令，无线传输模块将指令同时发送到超声发射与超声接收模块.完成接收、测差、数据传输等功能.超声接收模块将接收时间返回处理器，处理器经过计算考虑无线传输带来的时间迟滞，获得超声波在水流中的传播时间，完成硬件部分的测量功能，中央处理器通过算法计算获得流量，第二次测量，收发位置反转，流程相同.具体的流程图如图8所示.

图8 系统程序流程图Fig.8 Flow chart of the system program

4 结束语

本文利用高性价比、低功耗ARM 11处理器，结合自行设计的收发硬件模块，实现了多声道流速数字化采样计算，并转换为流量.通过无线传输模块实现了收发联动与上位机传输.设计中的不足有：流速断面仍需人工给出，没有实现水速与水位的多点实时测量.无线传输自身存在的发送数据丢失以及发送过程时间延迟的不固定对后期数据处理产生影响.要解决这些问题还需开展更加深入的研究.

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