鑒相式超風波風速變送器設計資料

ID:779458 · 發表于 2021-2-23 20:55

風速測量方法中超聲波測量法擯棄了其他風速測量方法必須要求啟動風速、響應速度慢、精度低、測量范圍窄的缺點，成為當前較流行的風速測量法。本設計依據聲波的振動特性、方向性等特性結合傳播媒介的運動學分析，一方面選擇更為合理的三角形傳感器配置方式，另一方面在傳統的時差風速測量法基礎上，提出一種快速、穩定、價格低廉的相位差風速測量方案。該變送器以單片機(MSP430)為控制核心，實現了風速的高精度、寬范圍、非接觸式實時測量，適用于一般風速測量場合。

本項目將在以下幾方面進行研究：
1. 超聲波傳感器配置形式研究。傳感器的配置方式直接影響著測量準確度。選擇一種好的傳感器配置方式對有效降低環境因素的負面影響，提高超聲波風速測量的可靠性具有重要意義。
2. 檢相式時差測量模塊設計。時間差的測量是實現風速測量的關鍵，直接決定測量精度。相位差法是將時間差轉換為相位差后進行測量，其原理較簡單，且電路成本較低，測量精度取決于檢相精度。
3. 溫度對風速測量的零點、靈敏度影響分析及溫度補償技術，風速、溫度、相位關系研究及數學模型建立。
4. 以TI公司的16位單片機MSP430F2274作為核心處理器，進行溫度采集模塊、數碼管顯示模塊、數據存儲模塊、串口通信模塊、標準輸出模塊和報警模塊等設計，完成信號放大、數字濾波處理、風速計算等。

超聲波風速測量利用了風速對超聲波傳播速度或方向偏移的影響實現風速測量，具有環境適應性強、測量范圍寬、性價比高等優點，是目前風速、流量、濃度檢測研究的重要方向。
方案一：采用 X法(交叉法)或者V法(反射法)。X法原理是采用兩對超聲波探頭(每對包含一個發射頭和一個接收頭)，兩對探頭的聲程交叉，風從此交叉范圍內通過。V法原理是采用一對探頭和一個表面光滑、介質常數很高的反射板，風從反射路徑覆蓋的范圍通過。
方案二：采用等腰三角形配置方案。采用一只發射傳感器,兩只接收傳感器。發射探頭位于三角形頂角，兩接收探頭分別位于兩底角，組成銳角等腰三角形而不是等邊三角形，以使得聲程稍長從而獲得較高的測量精度。

操作人員在出廠之前需要對儀器進行標定，這個出廠標定通過紅外線遙控器完成。當MCU檢測到有遙控器信號時，當信號指令是“標定”，則進行相應的標定操作。記錄標定值指的是把放大電路的輸出電壓通過MCU內部的ADC模塊轉換為數字量，存儲至Flash存儲器。
本變送器紅外遙控模塊設置以下按鍵功能：零點標定鍵、靈敏度標定鍵、+設置鍵、-設置鍵、確認鍵、復位鍵。圖16為標定程序流程圖。標定過程如下：


圖16  標定程序流程圖

1. 零點標定。變送器置于無風空氣中，按零點標定鍵一次，指示燈常亮后按確認鍵，即可把當前狀態記憶為零點標定值，設置內容可永久斷電保持，直至下次更改生效為止。
2. 靈敏度標定。使用風洞進行標定。(1)變送器置于風洞中，使風洞中產生XX.Xm/s的風速，信號穩定后按“靈敏度標定鍵”一次。這時數碼管顯示之前設定的靈敏度標定點1的風速設定值，如果與當前風洞中產生XX.X m/s的風速值不符，可通過“+設置鍵”或“-設置鍵”調整標定風速值。“+設置鍵”和“-設置鍵”只要按下一次即可，設置值將自動以約每秒1次的速度變化(每次變化0.1m/s),當顯示值與當前風洞中產生XX.Xm/s的風速值相符后立即按“確認鍵”，把當前狀態記憶為靈敏度標定點1風速值，然后返回到正常工作狀態。設置內容可永久斷電保持，直到下次更改生效為止。(2)變送器置于風洞中，使風洞中產生YY.Ym/s的風速，信號穩定后按“靈敏度標定鍵”一次。其他操作同標定點1的操作。注：XX.X < YY.Y，且YY.Y應盡量接近測量范圍的上限。若偶然出現不必要的操作可按下復位鍵取消當前錯誤操作。
4.4 軟件可靠性的設計
隨著單片機實用系統越來越復雜，工作環境的干擾也越來越嚴重。而對環境惡劣的工業現場，大量的干擾源有時雖然不會造成單片機系統硬件的破壞，卻常常會侵入系統破壞數字信號的時序，更改單片機寄存器內容，導致程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入死循環。因此，要保證新型微控制器的可靠性、安全性，就必須在提高硬件可靠性的基礎上，在程序設計中采取措施，通過軟件技術增強系統的穩定運行能力。本儀器在軟件抗干擾設計時采取三種辦法：指令冗余設計、軟件陷阱設計、程序監視定時器設計。
指令冗余就是在程序關鍵的地方人為插入一些單字節指令，或將有效單字節指令重寫。它是使程序從“亂飛”狀態恢復正常的一種有效措施，其前提條件要求PC指針必須指向程序運行區，且必須執行到冗余指令。
正常情況下CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數。當指令計數器PC受到干擾出現錯誤時，程序便脫離正常軌道“亂飛”，導致CPU把一些操作數當作操作碼來執行，從而引起整個程序的混亂。
軟件陷阱設計是指利用“程序口令+軟件陷阱”確保PC指針不被彈飛。方法如下：
1. 程序必須模塊化。每一個模塊（子程序）執行一個能力。每個模塊只有一個出口(RET)。
2. 設立一個模塊（子程序）ID寄存器。
3. 為每個子程序配置唯一的一個ID號碼。
4. 每當子程序執行完畢。要返回(RET)之前，先將本子程序的ID號送入ID寄存器。
5. 返回到上一級程序后，先判斷ID寄存器中的ID號。如果正確，則繼續執行；如果不正確，則表示PC指針有可能跳錯了，子程序沒有按照預計的出口返回，這時將程序攔截初始化段或程序錯誤處理段。
這種方法如同在程序中設立了若干個崗哨，每次調用子程序返回后，需要對口令(ID)驗證身份再放行。再配合軟件陷阱，可以將絕大多數PC指針彈飛的現象監測到并加以有效處理。
程序監視定時器設計是指利用WDT（程序監視定時器，俗稱看門狗）通過監視程序運行狀態，判斷程序是否進入死循環或出現程序跑飛現象，進而強迫程序回到復位狀態。一方而可通過硬件電路實現，稱為硬件WDT，另一方而可設置軟件“監視跟蹤定時器”實現，也就是軟件WDT技術。
在干擾不是特別嚴重、程序發生跑飛，控制字完好無損的情況下，軟件WDT溢出可將跑飛的程序截回，轉而執行查錯程序數據備份修復等相應的程序，然后進入主程序。如果數據得到了很好修復，就可以接著跑飛時處理的事件繼續運行。
5. 系統創新
本設計的創新點在于：采用高速邏輯電路設計精確檢相模塊，得到的信號相位差穩定性高、時滯小，與采用CPLD技術的時差測量法相比精度得到較大提高，同時大大降低了儀器成本；設計了相位電壓轉換模塊，使得相位信號精確地轉換為模擬電壓信號，并能通過MSP430單片機進行數字處理，與采用CPLD技術的時差測量法相比分辨率得到較大提高；系統配備溫度補償傳感模塊，很好地解決了溫度對風速、超聲波傳輸速度的影響，加強了儀器的可靠性和應用范圍。
測試設備：Fluke示波器、風扇、遙控器
測試結果：經測試，風速變送器信號模擬處理部分的兩路輸出信號在示波器上有明顯相位差，并且隨風速加大，相位差增大，經粗略估算，達到預期效果，但本測試精度較低，需專業風洞實驗室進一步驗證。圖17為實驗室測試期間的變送器。

圖17實驗室測試期間的變送器
2．風洞實驗室
測試時間：2011-12
測試地點：黑龍江科技學院風洞實驗室
測試設備：吸風式風機，P=4kW，轉速=3000r/min；
測試結果：經專業風洞實驗室測試，本風速變送器能夠在定向風場中穩定工作，具有較好的抗振動性能，測量結果與標準風速值比較后得出以下結論：本變送器測量精度高、反應速度快，LED顯示結果穩定，達到預期目標。
6.2 結論
本設計利用聲波的振動特性、方向性等特性結合傳播媒介的運動學分析，一方面選擇更為合理的三角形傳感器配置方式，另一方面在傳統的時差風速測量法基礎上，提出一種快速、穩定、價格低廉的相位差風速測量方案。本設計的變送器以單片機(MSP430)為控制核心，實現了風速的高精度、寬范圍、非接觸式實時測量，適用于一般風速測量場合。
隨著更加深入的測試以及在實踐中的應用，我們將完善設計，提高可靠性，降低成本，使該鑒相式超聲波風速變送器成為一個成熟的產品。
經過試驗驗證，本設計能夠獲得以下技術數據：
1. 能夠測量0~40m/s的風速，分辨率可到到0.01m/s；
2. 使用前的標定、調零等工作可通過遙控器完成，方便使用與安裝；
3. 傳感器結構尺寸小，單邊約80mm；
4. 整機不單獨開孔，不包含滑動變阻器，抗震性能好；
5. 響應速度快，相對于CPLD技術的風速儀而言性價比更高。

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