在線超聲波流量監測系統設計及其應用

秦 偉，李 娟，劉 東

(1.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

在線超聲波流量監測系統設計及其應用

秦 偉1，李 娟2，劉 東1

(1.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

為解決地源熱泵系統中的進出水流量測量，設計研究基于超聲波時差法原理的非接觸式在線流量監測裝置；系統以STM32F407 ZE為主控制器，定時采集流量、完成數據封包、加密和遠端服務器交互任務；以MSP430F2618為流量測量控制器，采用時差法以TDC-GP22精準測量超聲波在介質中傳播時間，實現管道流體流速、流量實時監測；系統測試結果實現流量數據測量及上傳存儲到遠端服務器，滿足地源熱泵系統流量監測需求。

超聲波；流量測量；在線監測；時間數字轉換；時差法

0 引言

在供熱采暖及大型中央空調系統中供熱、制冷多以水或蒸汽為傳遞介質，為了評估空調系統的運行效果需要對水循環系統的流量進行實時測量，而現有流量計存在無法遠程實時監測且安裝、維護不便等缺陷。超聲波流量測量采用非接觸測量，具有量程范圍寬，安裝方便等優勢。設計通過分析超聲波在水中的傳播特性、超聲波傳感器工作機理設計一種基于時差法超聲波流量監測系統，并結合互聯網通信技術，利用STM32F407 ZE和W5500實現流量數據遠程傳輸，便于監測人員在連接互聯網的條件下對監測點流量進行實時監測。

1 時差法超聲波流量測量原理

超聲波流量測量方法主要有多普勒法、流速液面法、波束便移法、噪聲法、旋渦法、相關法、傳播時差法，其中應用最廣泛的是傳播時差法[1]。本設計采用時差法測量流量。

時差法超聲波流量計的測量原理是利用了超生波在流體中順流傳播速度和逆流傳播速度的不同會引起超聲波的傳播時間不同，根據傳播時間的差值來測量流體的速度從而計算出流體的流量[2]。但其自身也分為兩種不同的方法：傳統時差法和改進時差法[3]。傳統時差法由于超聲波在靜止流體中的流速受溫度影響比較大，在不同的溫度下流速不同，所以測量有很大的誤差，因此設計采用改進時差法。

1.1 時差法測流速原理

如圖1所示設流體的速度為v，超聲波在靜止流體中的傳播速度為C，管徑為d，TS1和TS2為超聲波換能器，超聲波發射角度為θ，超聲波在順流傳播時，其速度如式(1)所示、時間為t1，超聲波在逆流傳播時，其速度如式(2)所示、時間為t2，所以流體速度如式(3)所示：

圖1 改進時差法測量原理圖

順流時超聲波在流體中的傳播速度為：

(1)

逆流時超聲波在流體中的傳播速度為：

(2)

兩式相減，

(3)

式中,v為流體流速(m/s)，C為聲波傳播速度(m/s)；d為管道直徑(m)。θ為超聲波信號方向與流體流動方向夾角(rad)，t1為超聲波在順流傳播時渡越時間(s)，t2為超聲波在順流傳播時渡越時間(s)。

溫度是影響超聲波流量測量的一個參數，超聲波在靜止流體中的傳播速度C與流體溫度的關系[4]如式(4)所示：

(4)

式中,C為聲波傳播速度單位m/s；C0為0 ℃時的速度331.4 m/s。t為流體溫度℃，K為熱力學溫度273.15。

式(3)中不含有聲速C，只要測出順、逆流傳播時間t1和t2即可，改進時差法避免了超聲波流量監測系統受溫度的影響，從而提高了系統的測量精度。

1.2 圓形管道測流量原理

通過以上分析采用超聲波測得流體速度v是超聲波穿過流體的線平均速度，在圓形管道的流量計算中需采用管道橫截面流體平均速度va，因此為保證測量精度需確定va與v的關系。管道流速分布對va有著明顯的影響,在研究管道流體時，主要分為層流和紊流兩種流動狀態，根據雷諾數Re作為判定管道流體流動狀態的判定依據，一般認為工程上以Re為2300作為層流和到紊流的臨界判定依據[5]。

當Re<2300時，管道流體流動狀態為層流，層流時va與v的關系如式(5)所示，E為va與v的修正系數。

(5)

當Re>2300時，管道流體流動狀態為紊流，紊流va與v的關系如式(6)所示，E為va與v的修正系數，n是隨Re不同的修正系數。

(6)

實際應用是根據Re的不同分段確定n值[6]。綜上所述經修正后流體流量Q與流速v關系如式(7)所示：

(7)

式中,Q為流體流量m3/s；v為測得流體速度m/s,t為流體溫度℃,E為va與v的修正系數。

2 多點超聲波流量監測系統設計

2.1 多點超聲波流量監測系統方案設計

多點超聲波流量監測系統包括流量采集單元、網絡接入單元和主控單元STM32F407 ZE，其結構見圖2。流量采集實現采集管道流體/氣體實時流速，根據流速計算流體/氣體流量；同時流量采集單元還能完成溫度實時采集，并根據溫度和流量數據計算熱量值。網絡接入W5500負責互聯網接入硬件協議棧功能實現網絡通信。主控單元STM32F407 ZE主要實現對網絡接入W5500、流量采集單元進行配置，定時采集流量數據，并完成數據存儲及通過TCP/IP定時上傳到服務器。

圖2 多點超聲波流量監測系統結構圖

2.2 多點超聲波流量監測系統硬件設計

2.2.1 主控單元硬件設計

主控單元為STM32F407ZE，該芯片工作電壓范圍在 1.7 V ～3. 6 V 之間，具有2個USB OTG，專用音頻PLL和2個全雙工I2S，通信接口多達15個(包括6個速度高達11.25 Mb/s的USART、3個速度高達45 Mb/s的SPI、3個I2C、2個CAN和1個SDIO)，2個12位DAC、3個速度為2.4 MSPS或7.2 MSPS(交錯模式)的12位ADC，定時器多達17個[7]。

主控單元STM32F407 ZE與外部設備接口電路有RS485接口、網絡接口、人機交互接口、和SD卡接口電路。主控單元RS485接口使用STM32F407ZE的 USART2與SP3485連接構成RS485接口，使用STM32F407 ZE的PD7控制RS485數據方向。網絡單元使用STM32F407 ZE的SPI1與 W5500的SPI接口相連，PA0與W5500的INTn相連，用于響應W5500中斷請求。SD卡接口使用STM32F407ZE的 SDIO構成SD卡接口。

2.2.2 超聲波流量采集點硬件設計

超聲波流量采集點由控制器、時間間隔測量、存儲器、脈沖功率放大、超聲波收發控制電路、前置選頻放大、程控放大、滯回比較電路構成，見圖3超聲波流量采集點硬件結構圖。

圖3 超聲波流量采集點硬件結構圖

超聲波流量采集點控制器采用MSP430F2618，負責時間間隔測量管理，時間間隔數據計算、處理、數據存儲，超聲波回波信號強度測量，程控增益調整，超聲波收發切換控制，RS485通信，ModBus RTU 協議解析。

超聲波流量采集點時間間隔測量采用TDC-GP22，該芯片是Acam公司的時間數字轉換器，該芯片時間測量范圍有兩個，設計選用測量范圍500 ns～4 ms，單通道測量分辨率達到90ps，對于超聲波流量測量時間間隔要求分辨率達納秒，能滿足設計要求[8]。

脈沖功率放大電路將TDC-GP22產生的1 MHz 峰峰值為3.3 V的脈沖信號調理到峰峰值為10 V。

收發控制電路實現超聲波換能器收發切換控制，在MSP430F2618的P2.0控制下，當P2.0為高電平時TS1工作于超聲波發射狀態，TS2工作于接收狀態，當P2.0為低電平時TS1工作于超聲波接收狀態，TS2工作于發射狀態。

前置放大電路實現接收信號的選頻放大，將工作于超聲波接收狀態的超聲換能器輸出毫伏電壓信號調理到接近5V電壓信號，程控放大實現根據超聲換能器安裝距離及管道管徑對超聲波回波信號進一步做電壓調整[9]。

滯回比較器電路實現依據回波信號電壓與閾值電壓比較產生TDC-GP22所需的stop1信號，使TDC-GP22停止計時。

AT24C16用于存儲超聲波流量采集單元的配置參數及測量的流速及流量數據。

Sp3485用于構成RS485接口，使得主控單元能通過RS485接口對超聲波流量單元進行參數配置和數據采集。

2.3 多點超聲波流量監測系統軟件設計

2.3.1 主控單元軟件設計

主控單元軟件主要包括：系統參數配置，流量數據采集、數據解析、數據存儲、數據封包、數據上傳等部分。主控程序在MDK-ARM Professional Version: 5.11.0.0下設計調試。系統主程序流程圖如圖4所示，系統參數配置實現STM32F407 ZE時鐘、嵌套中斷、通用輸入輸出接口、異步串行接口、SDIO接口等內部資源的初始和配置。流量數據采集實現2個點的流量數據采集。數據解析主要完成采集的數據編碼轉換。數據封包完成指定格式的XML數據打包、AES加密和CRC校驗。數據存儲流量數據及采集時間記錄保存于SD卡。數據上傳實現在成功與遠端服務器建立TCP連接的條件下上傳流量數據。

圖4 系統主程序流程圖

2.3.2 超聲波流量采集點軟件

超聲波流量采集點軟件主要包括：初始化，管道參數配置、時間間隔測量、計算流速、流量、數據存儲等部分，采集點程序流程圖如圖5所示。初始化實現：MSP430F2618內部看門狗、時鐘、通用輸入輸出接口，模/數轉換ADC12，數/模轉換DAC12，定時/計數器TimerA、TimerB，異步串行接口，SPI接口，IIC接口配置。管道參數配置實現：管道材質、管道外徑、管道厚度、管道外壁襯墊材質、流體類型、超聲波換能器安裝方式。順流測速實現順流時間測量，超聲波流量測量關鍵是測量順流和逆流時間，設計中首先切換到順流測流速啟動TDC—GP22產生1 MHz的脈沖并持續20 μs，通過設置DELVAL1值為0x0500屏蔽stop信號40 μs防止干擾觸發使TDC-GP22停止計數,在超聲波回波信號觸發STOP1后便停止計數，同時TDC-GP22 產生INT信號請求MSP430F2618讀取時間數字量，處理獲得順流時間t1[10]。同理逆流測速獲得逆流時間t2。計算流速、流速修正、流量實現依據測量順流時間和逆流時間處理獲得流體流速，并根據用戶設定流體類型、管道直徑及測得實時流速確定流速修正系數，從而計算獲得流量數據。

圖5 超聲波流量采集點程序流程圖

3 多點超聲波流量監測系統測試

實驗測試監測對象為某高校水源熱泵系統，監測對象需監測2個點的流量數據采集，分別為：系統熱源側流量和系統用戶側流量。超聲波換能器安裝方式為Z法安裝，系統熱源側管道DN300,管道壁厚7 mm,管道材質為碳鋼,超聲波換能器間距154.05 mm。系統用戶側管道DN250,管道壁厚6 mm,管道材質為碳鋼，超聲波換能器間距124.00mm。系統熱源側和系統用戶側管道均無襯墊材料，安裝位置均選擇為管路的垂直部分，且滿足超聲換能器TS1安裝距上游10 倍直徑，TS2距下游5 倍直徑以內均勻直管段，在安裝超聲換能器時給管壁和換能器涂覆有超聲波耦合劑，使超聲波信號更有效的穿過管壁。實測數據如圖6、7所示，圖中數據為2016-07-05號采集并上傳到服務器中的流量數據，數據定時上傳時間間隔為60分鐘，上傳數據單位為m3/h。圖6 為系統熱源側實測流量，圖7為系統用戶側實測流量。圖中數據說明系統工作穩定能監測地源熱泵系統流量，并通過互聯網定時將流量數據上傳到陜西省可再生能源示范項目數據監測系統中。

圖6 系統熱源側實測流量圖

圖7 為系統用戶側實測流量

4 結束語

本文分析了時差法超聲波流量測量原理，給出了以STM32F407 ZE為主控制器的在線流量監測系統的軟硬件設計思路，詳細論述了以MSP430F2618和TDC—GP22為核心的超聲波流量采集點的實現過程。流量采集點具有標準RS485接口，能獨立工作實現流量測量，配合STM32F407 ZE主控器實現多點在線流量監測，流量監測點可根據需求靈活增加。經實際運行測試，系統運行穩定可靠，滿足地源熱泵系統中的進出水流量測量，同時該系統在供熱采暖等需要實時在線流量監測的系統中有著較為廣泛的應用價值。

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Design and Application of On-Line Ultrasonic Flow Measuring System

Qin Wei1,Li Juan2,Liu Dong1

(1.School of Physics and Telecommunication Engineering, Shaanxi Sci-Tech University，Hanzhong 723000, China;2.School of Electrical Engineering, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China)

Delta-T method ultrasonic flow measuring System is designed in order to solve the flow measurement in ground source heat pump. The system collect the flow data, packet and encrypt the data,communicate with the remote server at fixed time intervals by STM32F407 ZE. It accurate measure the transmission time of ultrasonic propagation in the medium with the Delta-T method by TDC-GP22 and MSP430F2618 . Finally the system realized the velocity and flow rate measurement in real-time. It is proved can upload the flow data to the remote server by test, it can meet the needs of flow measurement for ground source heat pump.

ultrasonic; flow meter; on-line measurement; time to digital convert; Delta-T method

2016-04-07；

2016-06-21。

陜西理工大學科研基金項目(SLGKY15-46)；陜西理工大學項目(fckt201507)；陜西省教育廳科研項目(14JK1135)。

秦 偉(1982-)，男，講師，碩士，主要從事嵌入式與檢測技術方向的研究。

1671-4598(2017)02-0032-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.008

TP23

A