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對于微小壓差的測最，傳統的方法是采用U型管壓力計，該壓力計結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，性能可靠，缺點(diǎn)是無(wú)法記錄壓力的瞬態(tài)變化，讀數慢而讀數誤差大，人工估讀時(shí)，最大精度也只能精確到0.5 mm液柱高度。為了提高靈敏度，減小讀數誤差，隨之又出現了傾斜管壓力計，如果傾斜管壓力計的測量管傾斜角為30°，則測量精度可提高1倍。 隨著(zhù)壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)又出現了電子微壓差傳感器，可將微小壓力直接轉換成電信號輸出。此類(lèi)傳感器使用方便，反應速度快，精度也可以做得較高，目前比較好的微壓傳感器測量分辨率已達到10 Pa左右。缺點(diǎn)是穩定性不夠好，溫漂和時(shí)漂都比較大，且價(jià)格昂貴。 上述微壓測量方法各有利弊，如果要繼續提高測量精度，以上測量裝置已經(jīng)難以勝任。針對這樣的現狀，我們設計了一種新型的微壓計--超聲波微壓計。這是在保留U型管壓力計原理、結構簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)的基礎上，利用超盧波進(jìn)行精確而快速測量U型管中液柱高度的原理設計而成。它具有測最精度高、讀數準確(數顯)、測量速度快的特點(diǎn)，可以通過(guò)RS-232接口與計算機連接，進(jìn)行相關(guān)的數據、圖表處理，具有廣闊的應用前景。 1 超聲波及超聲波換能器 超聲波是機械波的一種，足機械振動(dòng)在連續介質(zhì)(氣體、液體、固體)中的傳播過(guò)程，所以，機械振動(dòng)是超聲波產(chǎn)生的根源。超聲波是指頻率f>20 kHz的彈性波。 超聲波換能器是發(fā)射和接收趟聲波信號的關(guān)鍵部件，它可以把電能轉換成高頻聲能，或者把盧能轉換成電能。超聲波換能器有多種形式，我們選用的是壓電換能器，它足基于某些晶體的壓電效應來(lái)實(shí)現電聲能量轉換的一種電性換能器。 壓電換能器具有正壓電效應和逆壓電效應。 正壓電效應是指當對某電介質(zhì)施加應力時(shí)，產(chǎn)生的形變將引起內部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比。利用正壓電效應可將機械能即聲能轉換成電能，這種川來(lái)接收盧波的換能器稱(chēng)為接收換能器。 逆壓電效應是指將具有壓電效應的介質(zhì)置于電場(chǎng)內，由于電場(chǎng)作用引起介質(zhì)內部正負電倚中心發(fā)生位移，這種位移在宏觀(guān)上表現為產(chǎn)生了變形(或應變)，它與電場(chǎng)強度成正比。利用這個(gè)效應能產(chǎn)生超聲波，即將適應的交變電信號施加到品體上面產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同，從而形成超聲波，發(fā)射聲波利用的是逆壓電效應。用米發(fā)射聲波的換能器稱(chēng)為發(fā)射器。 壓電換能器同時(shí)具有正壓電效應和逆壓電效應�；诖嗽�，可以用一個(gè)超聲波換能器既做發(fā)射器，又做接收器。 2 超聲波測壓原理 超聲波測壓原理見(jiàn)圖1(a)。2根玻璃管形成一個(gè)連通器，在A(yíng)管的底部安裝一個(gè)超聲波換能器，被測壓力分別由A、B兩點(diǎn)引入，這種連接方式可測量?jì)蓧毫χg的壓差，如需要測量表壓，只要將4、B兩壓力中的任意一個(gè)接通大氣即可。 測量前需進(jìn)行摹準零位校驗，將A、B兩點(diǎn)都接通大氣，此時(shí)因A、B兩壓力相等，連通器兩管中的液柱等高，測量出此時(shí)超聲波換能器發(fā)射面到液面之間的高度h0，該高度為基準高度(也稱(chēng)為零點(diǎn)高度)。測量時(shí)，將B點(diǎn)接通大氣(測量表壓)，被測壓力由A點(diǎn)引入,因A、B兩管存在壓差，則兩液柱形成高度差2△h，設兩玻璃管中的液體是純凈水，那么用mmH2O (1 mmH2O=9.806 65 Pa)來(lái)表示壓力，被測壓差為： 只要精確測量出h0和h1，就可準確測量出壓力。由式(1)可知，該壓力與超聲波換能器的安裝位置無(wú)關(guān)。 利用超聲波測量水柱高度，超聲波由換能器發(fā)射，遇到液面后反射，反射波再返回換能器，由換能器產(chǎn)生電脈沖，只要精確測量超聲波由換能器發(fā)射到反射波回到換能器這期間的時(shí)間△t即可。如采用24 MHz高頻脈沖作為時(shí)間測量單位，設△t時(shí)間內共得到脈沖數為n，則： 設超聲波通過(guò)2h0路程需要時(shí)間為△t0，共記錄n0個(gè)脈沖；經(jīng)過(guò)2h1長(cháng)的路程需時(shí)間為△t1，共記錄n1個(gè)脈沖，超聲波在水中的傳輸速度為ν，則被測量壓力為： 環(huán)境溫度為25℃時(shí)，超聲波在水中的傳輸速度約為1 483 H1/s，根據理論計算，該微壓計的對水柱高度測量的分辨率為： 如需進(jìn)一步提高測量精度，可提高記數脈沖的頻率或使用比重較小的液體。如純酒精作為測量液體，純酒精的比重為O.8，則此時(shí)的測量分辨率為： 由此可見(jiàn)，該微壓計的測量精度遠遠優(yōu)于目前使用的測量方法，能滿(mǎn)足絕大多數場(chǎng)合微小壓力的測量。 另外，這種方法測量速度很快，可以每秒300次左右的速率測量，因此能捕捉壓力的瞬態(tài)變化。而U型管壓力計或傾斜管壓力計讀一點(diǎn)數據至少需要1 s，在被測壓力急劇波動(dòng)時(shí)無(wú)法讀取數值。 3 硬件設計 3．1 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路較為簡(jiǎn)單，由于發(fā)射和接收是同一換能器，且測壓液柱較短，所以這里不宜采用連續波發(fā)射，我們采取單脈沖波發(fā)射方式，由單片機發(fā)出啟動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)微分電路，使得三極管瞬間導通，在超聲波換能器上得到一個(gè)前沿很陡的高壓脈沖，由此換能器向液面發(fā)出超聲波脈。 3．2 超聲波接收、放大電路 由微分放大電路組成輸入級，來(lái)自超聲波換能器第1反射波(4點(diǎn))得到進(jìn)一步放大，同時(shí)使第1反射波信號變得更尖陡(B點(diǎn))，該信號再經(jīng)精密檢波電路檢波、濾波后，得到反射波的包絡(luò )線(xiàn)(C點(diǎn))，為消除地線(xiàn)及雜波等干擾信號，同時(shí)增強信噪比，C點(diǎn)的信號再經(jīng)過(guò)一個(gè)帶有域值比較的放大器進(jìn)一步放大，得到一個(gè)比較干凈而幅值足夠大的第1反射波信號(D點(diǎn))，最后經(jīng)電壓比較器，輸出觸發(fā)信號(E點(diǎn))給計數系統，使其停止計數。至此，完成反射波信號的放大與處理任務(wù)。 因為超聲波在液柱內會(huì )產(chǎn)生多次反射，而我們只需要第1反射波，因此在對完成第1反射波處理后，就必須立刻停止計數，這部分由控制電路完成。 3．3 脈沖計時(shí)電路 控制系統采用MCS-51系列單片機，當單片機采用12 MHz晶振時(shí)，其最高記數頻率為500 kHz，而超聲波記時(shí)系統采用的是24 MHz高頻脈沖，因此通過(guò)74LS393把24MHz高頻脈沖進(jìn)行256分頻后變成93.75 kHz，再送給單片機計數。 在讀取時(shí)鐘脈沖數時(shí)，由74LS393讀取低8位，高16位由單片機內部記數器讀取，這樣記數值可達到二進(jìn)制24位。理論計算最大測量水柱高度為： 4 軟件設計 該系統的軟件設計著(zhù)重解決實(shí)時(shí)和同步問(wèn)題。首先，在發(fā)射超聲波的同一時(shí)刻啟動(dòng)計數器計數；其次，接收到第1反射波的同時(shí)，立刻停止計數器計數；再次，由于發(fā)射和接收是同一超聲波換能器，所以超聲波的發(fā)射端和接收放大電路的輸入端連接在同一點(diǎn)，在發(fā)射波發(fā)出的同時(shí)，接收放大電路同樣收到發(fā)射信號，如不采取措施，會(huì )誤將發(fā)射波當做有效的反射波，計數器在啟動(dòng)的瞬間就會(huì )被關(guān)閉，造成誤操作，所以此時(shí)要采取必要的措施，對放大器的輸入端進(jìn)行屏蔽處理。 另一方面，發(fā)射的電脈沖信號有一定的寬度，對超聲波的激勵是利用發(fā)射脈沖的前沿，加之電路存在延時(shí)效應，根據上述情況，應在發(fā)射后的一段時(shí)間內需要屏蔽放大電路的輸入端，延時(shí)一段時(shí)間后再開(kāi)放，以免誤觸發(fā)。因此，從發(fā)射信號到開(kāi)放接收電路之間產(chǎn)生一個(gè)固定的時(shí)間差，必然存在一個(gè)測量死區，當液位高度小于死區高度時(shí)是無(wú)法測量的。 5 結束語(yǔ) 該測量系統經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，完全達到設計要求，曾在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應用中取得了很好的應用效果。由于超聲波在液體中的傳輸速度隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而變化，我們在電路中設計了環(huán)境溫度檢測電路，通過(guò)軟件進(jìn)行溫度補償，同時(shí)，液柱體積也會(huì )隨溫度變化而有所變化，而折合成高度的變化量很小，可以忽略不計。經(jīng)溫度補償后，該測量系統非常穩定，測量數據精確，速度快，讀數方便，體積小巧，并可進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)級使用，實(shí)現多點(diǎn)同時(shí)測量，便于捕捉壓力瞬態(tài)變化值，例如在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應用中實(shí)現了128點(diǎn)快速測量。如果U型管壓力計人工估讀精度為0.5 mm，超聲波微壓測量?jì)x以0.03 mm測量精度計算，其測量精度提高16倍。U型管道壓力計測量一點(diǎn)的壓力最快也需1 s，而該超聲波微壓計每秒可測量300點(diǎn)，由此可知，其測量速度提高300倍，完全可取代常規的U型管道壓力計或傾斜管壓力計，是很好的更新?lián)Q代的產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊。 |
