Ультразвуковой расходомер с интерфейсом Rs-485

Министерство образования и науки Российской Федерации
     
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)


К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ
Заведующий кафедрой ПрЭ
д-р техн. наук, проф.
________С.Г. Михальченко
«___»______________2018 г.



Ультразвуковой расходомер с интерфейсом Rs-485

Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе 
ФДО ВКР.411151.182 ПЗ

















	



2018
РЕФЕРАТ

     Выпускная квалификационная работа 59 страниц, 11 рисунков,            12 источников, 4 листа графического материала.
     УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ИНТЕРФЕЙС RS-485.
     Объектом проектирования ультразвуковой расходомер с интерфейсом RS-485.
     Цель работы ? разработка устройства для измерение расхода технологических и сточных вод, других жидкостей, в т. ч. и агрессивных, содержащих взвешенные твердые частицы и/или пузырьки газа, нефти. Прибор предназначен для работы в автоматизированных системах управления.
     В процессе работы проведен сравнительный анализ существующих решений и методов, выбраны критерии их оценки, разработаны структурная и принципиальная электрические схемы, печатная плата, рассчитаны параметры элементов и выполнено компьютерное моделирование.
     Работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office World 2010 и представлена на CD диске (в конверте на обороте обложки).












ABSTRACT

     Graduate qualification work 59 pages, 11 pictures, 12 sources, 4 sheets of graphic material.
	ULTRASONIC FLOWMETER, MICROCONTROLLER, PHASE DETECTOR, MEASURING AMPLIFIER, INTERFACE RS-485.
     The design object is an ultrasonic flowmeter with an RS-485 interface.
     The purpose of the work is to develop a device for measuring the flow of process and waste water, other liquids, including aggressive ones containing suspended solids and / or gas bubbles, oil. The device is designed to work in automated control systems.
     In the process of work, a comparative analysis of existing solutions was carried out, criteria for their evaluation were selected, patent searches were carried out, structural and principal electrical circuits, a printed circuit board were developed, the parameters of the elements were calculated and computer simulation of the analog part of the meter circuit was performed.
     The work is done in a text editor of Microsoft Office World 2010 and is presented on a CD-ROM (in an envelope on the back cover).


















Министерство образования и науки Российской Федерации
     
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)


УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой ПрЭ
д-р техн. наук, проф.
_________С.Г. Михальченко
«___»______________2018 г.




ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на бакалаврскую работу студенту Ипатову Андрею Валериевичу	
группа з-362-б факультет  ФДО Пэр				.
1 .Тема работы: «Ультразвуковой расходомер с интерфейсом RS-485»                                                                                                              .(утверждена приказом по ВУЗу от                           №                        )
2. Срок сдачи студентом законченной работы                                 /    
3. Назначение и область применения системы (устройства)
Измерение расхода технологических и сточных вод, других жидкостей, в т. ч. и агрессивных, содержащих взвешенные твердые частицы и/или пузырьки газа, нефти. Прибор предназначен для работы в автоматизированных системах управления технологическими процессами. 
4.ТРЕБОВАНИЯ К РАБОТЕ 
     4.1 Технические параметры:
      4.1.1 Диапазон измерения расхода – 0…1000 м3/ч;
      4.1.2 Пределы допускаемой относительной погрешности – 2%;
      4.1.3 Напряжение питания – 220 В; 
      4.1.4 Потребляемая мощность – 20 Вт;
      4.1.5 Температура окружающей среды – -20 C…+50 °C;
    4.1.6 Интерфейсы – RS-485, RS-232;
   4.2 Конструкторские параметры:
	  4.2.1 Габаритные размеры – не более 200?120?75 мм.;
        4.2.2 Коэффициент заполнения по объему – не менее Кз= 0,5;
 	  4.2.3 Масса изделия – не более 1 кг;
	  4.2.4 Требования к надежности по ГОСТ 27.003-90.
   4.3 Условия эксплуатации:
   Устойчивость к климатическим воздействиям по ГОСТ 15150-69 УХЛ 4.2.      4.4 Дополнительные условия:
      Требования электрической и механической безопасности, меры и класс защиты от поражения электрическим током в соответствии с    ГОСТ 25861.
5. ПЕРЕЧЕНЬ РАЗДЕЛОВ ПОДЛЕЖАЩИХ РАЗРАБОТКЕ 
     5.1. По специальной части:
  5.1.1 Обзор аналогов и обоснование проектирования;
  5.1.2 Схемотехническое проектирование;
  5.1.3 Расчёт и выбор элементов схемы ультразвукового расходомера;
  5.1.4 Разработка программного обеспечения для микроконтроллера;
     5.2 Проектировочная часть:
   Проектирование печатной платы.
5.3 Расчетная часть:
   Расчет и выбор элементов схемы. Расчёт печатной платы.
6. ПОДЛЕЖИТ РАЗРАБОТКЕ СЛЕДУЮЩАЯ  ДОКУМЕНТАЦИЯ 
6.1 Чертежи: (выполняются в соответствии с ГОСТ и  ЕСКД)
     6.1.1  Ультразвуковой расходомер с интерфейсом RS-485. Схема электрическая структурная;
     6.1.2  Ультразвуковой расходомер с интерфейсом RS-485. Схема электрическая принципиальная;
     6.1.3  Ультразвуковой расходомер с интерфейсом RS-485. Плата печатная;
     6.1.4  Модуль электронный. Сборочный чертеж.
6.2 Листинг программы микроконтроллера.
6.3 Пояснительная записка.

ЗАДАНИЕ СОГЛАСОВАНО

Консультант по нормам и требованиям ЕСКД
                          Башкиров Вячеслав Николаевич			              
      
 «___»__________________ 2018 г.			Подпись____________

Руководитель проектирования
Остров Алексей Юрьевич Зам. Начальника отдела ИТСО 
ОАО «Севернефтегазпром»


«___»__________________ 2018 г.	   	               Подпись____________

Задание принято к исполнению

«___»__________________ 2018 г.			   Студент__________
СОДЕРЖАНИЕ

Введение	8
1 Обзор аналогов и обоснование проектирования	10
2 Схемотехническое проектирование	22
3 Расчет и выбор элементов схемы ультразвукового расходомера	30
4 Разработка программного обеспечения для микроконтроллера	38
5 Проектирование печатной платы	43
Заключение	51
Список использованных источников	52
Приложение А(обязательное) Листинг программы микроконтроллера на языке 
Си	54

ФДО ВКР.411151.182 ПЭ3       Модуль электронный. Перечень элементов

Графический материал (на отдельных листах):
ФДО ВКР.411151.182 Э1           Ультразвуковой расходомер с интерфейсом 
                                                      RS-485. Схема электрическая структурная;
ФДО ВКР.411151.182 Э3           Ультразвуковой расходомер с интерфейсом
			        RS-485. Схема электрическая принципиальная;
ФДО ВКР.758722.182                 Ультразвуковой расходомер с интерфейсом
			        RS-485. Плата печатная;
ФДО ВКР.411151.182 СБ           Модуль электронный. Сборочный чертеж.


ВВЕДЕНИЕ

     Тема настоящей работы посвящена разработке ультразвукового расходомера с интерфейсом RS-485 на основе микроконтроллера семейства Atmel. Расходометрия была и остаётся на сегодняшний день важной областью промышленных измерений. Давление и расход являются основными рабочими параметрами, точность и надежность измерения которых определяет ценность результатов экспериментальных исследований в гидро- и газодинамике; качество технологических процессов в химической, пищевой и бумажной промышленности; оптимальные режимы работы объектов в ракетной технике и авиации, энергетике и транспорте; эффективность систем добычи и переработки нефти и нефтепродуктов.
     Точные измерения количества и уровня веществ лежат в основе учета и планирования продукции, определяют рациональные режимы транспортирования и распределения нефти и нефтепродуктов, необходимы для дальнейшего развития химической и топливной промышленности.
      Автоматизация учёта сырьевых ресурсов, постоянное поддержание качества, оптимизация и автоматизация технологических процессов – одни из причин, обуславливающие актуальность темы данного дипломного проекта.
     На современном этапе развития контрольно-измерительных приборов и автоматики необходимо использовать возможности для реализации дистанционного мониторинга и системы диспетчерского управления промышленными объектами. Это приводит к снижению расходов на  обслуживание технологических объектов. К основным преимуществам современных автоматизированных систем управления следует отнести надёжность, минимальное число обслуживающего персонала, энерго-эффективность, точность. Для реализации автоматизированного коммерческого учёта энергоресурсов данные системы позволяют эффективно планировать организацию производства.
     Разрабатываемое устройство должно легко интегрироваться в современную систему автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП). Как правило, расходомеры входят в нижний уровень АСУТП и для связи с верхним уровнем должны быть оснащены современными интерфейсами или унифицированными выходными сигналами. Эти требования учитываются при разработке нового устройства. Также важную роль играет использование в конструкции современных и надёжных электронных компонентов. Использование микроконтроллерной базы позволяет сократить количество внешних компонентов и упростить разработку за счёт программной реализации многих функциональных узлов. Программные средства разработки для микроконтроллеров имеют широкий набор библиотек и инструментов для отладки и моделирования.
     Целью работы является разработка аппаратной и программной части ультразвукового устройства контроля расхода жидкости. Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
     * обзор существующих методов и аналогичных приборов;
     * постановка задачи;
     * разработка структурной, функциональной и принципиальной схем устройства;
     * реализация программного обеспечения для микроконтроллера;
     * выбор и обоснование элементной базы;
     * конструкторская проработка электронного модуля;
     * вопросы техники безопасности, охраны труда, экологической безопасности и энерго- и ресурсосбережения;
     * технико-экономическое обоснование производства устройства.
     
     
     
     
     
       1 Обзор аналогов и обоснование проектирования
    
      Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами со счетчиком. Такие расходомеры позволяют измерять расход и количество вещества.
      Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью va перемещается жидкость, то расходом является величина [1]:
      
                                                       (1.1)
      
где - площадь поперечного сечения канала.
     Независимо от типа используемого устройства, измерение расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:
     * физические характеристики исследуемой среды;
     * физические характеристики окружающей среды;
     * форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен.
      В зависимости от принятого метода измерения приборы для измерения расхода и количества подразделяются на:
     * расходомеры переменного перепада давления;
     * расходомеры постоянного перепада давления;
     * бесконтактные расходомеры: электромагнитные, ультразвуковые;
     * кориолисовы расходомеры;
     * вихревые расходомеры;
     * калориметрические расходомеры и др.
     В качестве аналогов разрабатываемого устройства рассмотрены наиболее распространённые модели отечественного и зарубежного производства. Приборы могут состоять из отдельного выносного электронного блока и комплекта врезных или накладных датчиков. Существуют расходомеры с фланцевым креплением, в которых электронный блок и датчики объединены конструктивно в одном приборе.
     Рассмотрим ультразвуковой расходомер ЭТАЛОН-РМ. Эго структурная схема показана на рисунке 1.1. Структура других ультразвуковых расходомеров не имеет принципиальных различий с приведённой схемой [2].
     
      
      
Рисунок 1.1 – Структурная схема расходомера ЭТАЛОН-РМ

     ПЭП 1 и 2 (пьезоэлектрические преобразователи), работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ (электронный блок), обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя, и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезо-преобразователя, работающего в режиме приемника. Электронный блок ультразвукового расходомера выполнен в влагозащищенном пластмассовом корпусе настенного исполнения. Электронная схема ультразвукового расходомера выполнена по принципу многоступенчатой гальванической развязки (>1000 В) всех функциональных элементов между собой. Такой принцип обеспечивает максимальную помехозащищенность и надежность прибора в реальных и жестких условиях эксплуатации. В электронной схеме прибора применены надежные источники питания со временем наработки не менее 500 000 часов. Внешний вид электронного блока расходомера ЭТАЛОН-РМ представлен на рисунке 1.2.
     
     
     
Рисунок 1.2 – Внешний вид электронного блока расходомера ЭТАЛОН-РМ

     Значение измеряемого расхода контролируется по индикатору, расположенному на лицевой панели ЭБ. В дистанционном режиме осуществляется:
     * вывод измерительной информации по физическому интерфейсу RS-232/RS-485 на компьютер;
     * вывод частотно-импульсного сигнала 0 – 1000 Гц, пропорционального расходу;
     * вывод аналогового сигнала постоянного тока 4-20 мА, пропорционального расходу измеряемой среды (для расходомеров с аналоговым выходным сигналом).
     Расходомеры имеют возможность подключения к компьютеру с помощью интерфейса RS-485 с группами расходомеров (до 32 шт.), образуя локальную информационную сеть. Дистанционный информационный обмен с расходомерами в таком случае реализуется посредством программного обеспечения  (далее ПО) верхнего уровня с встроенной поддержкой стандартного протокола ModBus RTU. 
     Внешний вид УПР (устройства преобразования расхода) показан на рисунке 1.3.


     
     Рисунок 1.3 – Устройство преобразования расхода (однолучевое)
     
     Основные технические характеристики прибора ЭТАЛОН-РМ приведены в таблице 1.1.
     
Таблица 1.1 ? Технические характеристики ЭТАЛОН-РМ
Параметр
Значение
Диаметр условного прохода Ду, мм
15-1800
Выходы
RS-232/RS-485,
импульсный 0-1000 Гц,
аналоговый 4-20 мА
Глубина архивирования часовых архивных параметров, часов, не менее
1488
Глубина архивирования суточных архивных параметров, суток, не менее
366
Пределы допускаемой относительной погрешности электронного блока при преобразовании расхода в токовый сигнал, %
±0,2
Температура контролируемой среды
от 1 до 150°С
     
     В качестве примера ультразвуковых расходомеров можно привести приборы  производства РФ  ВЗЛЕТ МР (рисунок 1.4) [3].


     
Рисунок 1.4 – Расходомер-счетчик ультразвуковой ВЗЛЕТ МР

     ВЗЛЕТ МР предназначен для измерения среднего объемного расхода и объема реверсивных потоков различных жидкостей (горячей, холодной, сточных вод, кислот, щелочей, пищевых продуктов и т.д.) в одном или нескольких напорных трубопроводах при различных условиях эксплуатации, в том числе во взрывоопасных зонах.



Таблица 1.2 – Технические характеристики ВЗЛЕТ МР (УРСВ-5хх ц)[3]
Параметр
Значение
Номинальный диаметр, DN

от 10 до 5 000 

Глубина архивов измерительной информации, записей:

- часового
1440
- суточного
60
- месячного
48
Диапазон температуры жидкости, оC
от минус 30 до 160
Потребляемая мощность, Вт
не более 12
Питание
=24
Средний срок службы, лет
12

     Универсальный 3-х лучевой ультразвуковой расходомер для жидких продуктов UFM3030 фирмы КРОНNЕ показан на рисунке 1.5 [4]:
     
     

Рисунок 1.15 ? Ультразвуковой расходомер UFM3030

     UFM 3030 универсальный 3-х лучевой ультразвуковой расходомер для жидких продуктов, не зависящий от электропроводности, вязкости, температуры и давления.
     Преимущества:
     * Цифровая обработка сигнала;
     * Твердые и газовые включения незначительно влияют на результаты измерений;
     * Не требуется периодической калибровки;
     * Компакт (К) и раздельное (F) исполнении;
     * Расход до 1250 м3/мин;
     * Скорость потока до 20 м/с;
     * Для рабочих температур от -20°C до 180°C;
     * Температура окружающей среды от -25°C до +55°C;
     * Точность ±0,3% от измеренного значения, в зависимости от применения.
     DMTFС – ультразвуковой расходомер с врезными датчиками. Обеспечивает возможности для надежного, точного и быстрого замера параметров потоков жидкостей внутри трубопроводов неразрушающим методом УЗ-диагностики. Запатентованная компанией DynaMeters технология получения самонастраиваемого сигнала высокого качества позволяет системе автоматически адаптироваться под различные типы систем трубопроводов. Внешний вид прибора показан на рисунке 1.16.
     
     
     
     Рисунок 1.6 ? Ультразвуковой расходомер DMTFC
     
Таблица 1.3 – Технические характеристики расходомера DMTFC [5]
Параметр
Значение
Номинальный диаметр, DN

65 ... 4570 мм

Типы носителя
с содержанием не более 5% твердых включений и пузырьков.
Методика замеров
Временной импульсный, DSP и MultyBean
Погрешность
Не более 1% скорости свыше 0,5 м/сек 0.003 м/сек скорость до 0,5 м/сек
Цифровые порты

RS-232, RS-485, HART (4…20 mA)
     
     Наиболее близким аналогом разрабатываемого устройства является прибор ДНЕПР-7. Расходомер-счетчик ДНЕПР-7 предназначен для измерения расхода объема жидкости, протекающей трубопроводах и коллекторах. Внешний вид прибора различных модификаций с комплектом накладных датчиков показан на рисунке 1.7 [6].
     


Рисунок 1.7 - Расходомер-счетчик ДНЕПР-7

Таблица 1.4 – Технические характеристики расходомера-счетчика ДНЕПР-7
Параметр
Значение
Диапазон измерений объемного расхода, м3/ч:
0,05-43429,4
Пределы допускаемой относительной погрешности измерений объемного расхода
±2%
Токовый выходной сигнал по объемному расходу
0-5мА;
4-20мА
Частотный выходной сигнал по объемному расходу, Гц
0-1000
Диапазон толщин стенки трубопроводов, мм
2-20
Диапазон диаметров условного прохода трубопроводов, мм:
20-1600
Диапазон температуры измеряемой среды, ?С
1-150
Интерфейс
RS-232, RS-485
Напряжение питания переменного тока (50±1) Гц, В
187-242

     Архив данных ДНЕПР-7 устроен так, что для каждой записи каждого из трех архивов известна реальная дата и время, к которым относится соответствующее значение объема.
     Эта возможность достигается благодаря наличию в расходомере- счетчике часов реального времени. Часы работают от батарейки, следовательно, пропадание питания расходомера-счетчика не влечет за собой сброс часов. Установка и корректировка даты и времени производится с компьютера путем синхронизации с его (компьютера) часами в прилагаемой к расходомеру-счетчику программе.
     Минутный архив содержит данные за целое количество календарных часов, часовой - за целое количество календарных суток, суточный - за целое количество календарных месяцев. Размеры архивов можно изменять в прилагаемой к расходомеру-счетчику программе. При этом данные в архивах стираются.
     Существуют два режима соединения расходомера-счетчика с компьютером: сетевой и внесетевой. В сетевом режиме расходомер-счетчик работает как узел сети, работающей по протоколу Modbus RTU. Во внесетевом режиме расходомер-счетчик работает по нестандартному протоколу фирмы «Днепр» [6].
     На основании обзора методов измерений и аналогичных устройств можно судить об основных функциональных возможностях и технических требованиях, предъявляемых к  современным ультразвуковым расходомерам. Эти данные используются при разработке технического задания.
     Разрабатываемое устройство предназначено для  измерения расхода жидкостей, переносящих рассеивающие звук неоднородности (взвесь, пузырьки газа).  Работа устройства основана на эффекте Доплера. В состав прибора входят датчики, устанавливаемые на наружную стенку трубы, и блок обработки и индикации. Блок обработки и индикации – микропроцессорный. Разрабатывается исключительно на современной элементной базе. Преимущество устройства должно заключаться прежде всего в том, что для его эксплуатации  не  требуется монтажных работ.  Это обусловлено использованием накладных датчиков.  
     Прибор может быть применен для измерения расхода технологических и сточных вод и других жидкостей, в т. ч. и агрессивных, содержащих взвешенные твердые частицы и/или пузырьки газа, нефти, поступающей из скважин в нефтесборные пункты и содержащей эмульгированную воду, песок и пузырьки попутного газа. Кроме расхода, прибор может также контролировать содержание в жидкости взвеси и газовых пузырьков. 
     Благодаря способности измерять скорость потока в различных точках сечения трубы такой прибор может быть использован при исследованиях гидравлики трубопроводов. Это же свойство может оказаться полезным для повышения точности измерений в большом диапазоне изменений расхода, когда профиль скорости в сечении трубы меняет свою форму. 
     Прибор может быть интегрирован в АСУТП. Через интерфейс RS-485 возможно подключение до 32 приборов. Приборы могут подключаться к программируемому логическому контроллеру (ПЛК), имеющему интерфейс RS-485 или к ПК через преобразователь интерфейса RS-485/Ethernet.  Измеритель расхода можно также устанавливать на реверсивных трубопроводах, т.к. он способен определять направление движения жидкости в трубе. 
     Устройство учёта расхода жидких сред должно сохранять свои параметры в пределах норм, установленных техническим заданием, стандартами или техническими условиями, после и (или) в процессе воздействия климатических факторов, значения которых установлены ГОСТ 15150-69. Устройство должно быть устойчиво в воздействию относительной влажности воздуха до 80% при температуре 25 °С, до 95 % при температуре 35 °С для ПЭП. Электронный блок должен соответствовать климатическому исполнению УХЛ 3.1. ПЭП должен соответствовать климатическому исполнению УХЛ 1.
     Основные технические характеристики разрабатываемого устройства учёта расхода жидких сред приведены в таблице 1.5.
     
Таблица 1.5 – Технические характеристики устройства
Наименование параметра
Значение
Диапазон измерения, м3/час
0-1000
Пределы допускаемой относительной погрешности измерений объемного расхода, % 
2%
Вероятность безотказной работы при наработке 1000 час
не менее 0,9
Индикация 
Цифровой ЖК-дисплей
Интерфейсы
RS-485, RS-232
Питание 
Сеть 220 В/50 Гц
Потребляемая мощность 
Не более 20 Вт
Температура окружающей среды (для электронного блока)
-20 °C до +50 °C
Температура окружающей среды (для ПЭП)
-50 °C до +150 °C
      
     Специальные технические требования: ГОСТ Р 50193.1-92 «Измерение расхода воды в закрытых каналах». По устойчивости к электромагнитным возмущениям соответствие классу Е1 по  СТ РК СТБ ИСО 4064-1-2009 «Измерение расхода воды в закрытых трубопроводах под полной нагрузкой. Счетчики холодной питьевой воды и горячей воды. Часть 1».
     Требования к надежности:  по ГОСТ 27.003-90.


    2 Схемотехническое проектирование
    
     Исходя из требований технического задания и проведённого анализа аналогичных промышленных разработок, разработана структурная схема ультразвукового расходомера. 
     Устройство разрабатывается на базе микроконтроллера, и как следствие это позволяет значительно упростить схему. Ряд функций реализуются на программном уровне, позволяя отказаться от применения некоторых дискретных компонентов. Схема электрическая структурная показана  на рисунке 2.1.
    

    
Рисунок 2.1 ?  Схема электрическая структурная ультразвукового расходомера с интерфейсом RS-485

     Основные составляющие структурной схемы устройства:
     * ультразвуковые (УЗ) пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП);
     * малошумящий предварительный усилитель отражённого УЗ-сигнала;
     * НЧ-фильтр;
     * фазовый детектор;
     * усилитель;
     * генератор УЗ-импульсов;
     * микроконтроллер;
     * блок индикации (LCD дисплей с встроенным микроконтроллером);
     * кнопки управления;
     * преобразователь интерфейса UART/RS-485;
     * преобразователь интерфейса 1-wire/RS-232;
     * источник питания.
     Вырабатываемый задающим генератором  сигнал подается на вход излучающего преобразователя и излучается в виде акустической волны, сфокусированной  по направлению движения жидкости в трубе. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении рассеивателей,  преобразуется приемным элементом ПЭП, расположенным вокруг излучающего, усиливается усилителем с малым уровнем шумов  и детектируется фазовым детектором, управляемым микроконтроллером. Отражение УЗ происходит на границе раздела сред с различными АИ, причем величина отражения УЗ прямо пропорциональна разности АИ сред. Задающий генератор устройства реализован на микроконтроллере. Рабочая частота генератора – 2 МГц. Генератор рассчитан на небольшую мощность (порядка 8 мВт), но при высокой стабильности колебаний.  Опорный сигнал поступает на фазовый детектор с выхода генератора.
     Усиленный малошумящим усилителем  сигнал далее фильтруется полосовым фильтром  для устранения низкочастотных помех, возникающих вследствие отражения УЗ сигнала от стенок трубопровода (амплитуда сигнала от которых на несколько порядков выше амплитуды полезного доплеровского сигнала) и высокочастотного шума и подается затем на усилитель  и далее на вход АЦП микроконтроллера.
     Необходимость низкочастотной фильтрации вызвана наличием мощных низкочастотных составляющих в спектре принимаемого УЗ сигнала, обусловленным колебаниями стенок трубопровода. Колебания стенок трубопровода могут быть вызваны работой насосов.
     Схема фазового детектора детектирует разность фаз двух сигналов, так что при наличии разности фаз могут быть приняты определенные меры по корректированию. Фазовый детектор часто называют также фазовым дискриминатором или частотным компаратором. Схема фазового детектора близка к схеме дискриминатора (демодулятора) ЧМ-сигналов, а их основные рабочие характеристики практически идентичны.
     С выхода фазового детектора сигнал, через усилитель, поступает на АЦП. Оцифрованный сигнал обрабатывается по алгоритму реализованному управляющей программой микроконтроллера. Результаты измерений выводятся на матричный LCD-дисплей. При подключении к сети RS-485 передача данных осуществляется по протоколу Modbus RTU. Роль мастера в сети выполняет ПК или ПЛК. Расходомер является ведомым устройством. При использовании интерфейса RS-232 возможны варианты прямого подключения к COM порту ПК, модемная связь или использование для подключения внешнего преобразователя интерфейса RS-232/Ethernet или RS-232/USB. 
     При разработке схемы принципиальной электрической ультразвукового расходомера с интерфейсом RS-485 учитывается совместимость выбираемых интегральных микросхем по техническим характеристикам. Аналоговая часть принципиальной схемы согласуется с цифровой частью по уровням напряжения. При проектировании выбираются только актуальные и современные электронные компоненты. 
     Схема электрическая принципиальная, разработанная согласно структурной схеме приводится на рисунке 2.2.
       

Рисунок 2.2 – Схема электрическая принципиальная
     
     Основу схемы устройства составляет микроконтроллер DD3 фирмы Atmel Аtmega32. Микроконтроллер выполняет цифровую обработку сигнала от преобразователя электроакустического (ПЭА1), формирует зондирующие УЗ-импульсы. Зондирующие  УЗ–импульсы излучаются ПЭА2. Трансформаторы Т2 и T3 служат для согласования и развязки преобразователей ПЭА1 и ПЭА2 c измерительной схемой. Аналоговая часть  схемы усиления и обработки сигнала состоит из малошумящего предварительного усилителя, фильтра низких частот, фазового детектора и оконечного усилителя на операционном усилителе ОУ. Микроконтроллер имеет встроенный АЦП. 
     В принципиальной электрической схеме разрабатываемого прибора можно выделить три основных функциональных узла:
     * узел приёмника УЗ сигнала;
     * узел возбуждения УЗ сигнала;
     *  узел индикации и управления.
     Трансформатор Т2 обеспечивает развязку с датчиком УЗ сигнала (пьезопреобразователем). Сигнал сразу же поступает на входной усилитель на транзисторе VT3 и конденсаторе C14 – на нем сделан фазовый детектор (чувствительный и к амплитуде сигнала). Далее усиливается доплеровский сигнал, уже перенесенный на нулевую частоту, каскадами на VT4-VT5 с коэффициентом усиления около 30. На выходе каскада на VT5 происходит срез частоты выше 10 кГц. Далее сигнал отправляется на усилитель-формирователь АЧХ на ОУ DA2. Усилитель имеет плавный подъем АЧХ, максимум на частоте около 4 кГц. Это обусловлено тем, что амплитуда доплеровского сигнала растет с частотой. Подъем АЧХ частично компенсирует это явление. Для упрощения обработки сигнала усилитель охвачен петлей АРУ. На полевом транзисторе VT1 и резисторе R1 выполнен управляемый делитель напряжения. Управляется он детектором на транзисторе VT5. Необходимую задержку вносит конденсатор С5. Номиналы подобраны так, что амплитуда сигнала на выходе около 3 вольт (от пика до пика). Подбирая резистор R7, можно уточнить этот параметр. Далее разница от необходимого уровня отправляется на программно-управляемый интегратор и получается программно-управляемая петля АРУ. Уровень напряжения на выходе детектора АРУ используется для определения факта наличия доплеровского сигнала (чем больше сигнал, тем больше требуется ослабление и тем больше будет напряжение АРУ. Исходя из параметров применяемого полевого транзистора, отсечка начинается с напряжения АРУ около 3,5 вольт).     
     Обработку доплеровского сигнала и управление индикацией выполняет микроконтроллер.
     Для индикации в схеме применен ЖК-дисплей HG1 типа MT-16S2H с встроенным контроллером HD44780 (или аналогичный).
     
     Кнопки SA1-SA3 служат для управления режимами работы прибора. С их помощью осуществляется навигация по простейшему меню прибора и выбор режимов работы. 
     Прибор имеет интерфейс связи с ПК RS-485. Он предусмотрен на случай проведения исследований, требующих компьютерной обработки. Для согласования интерфейса RS-485 с микроконтроллером DD3 служит микросхема ST485E (DD4).
     Интерфейс RS-485 (другое название – EIA/TIA-485) – один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) – его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» – отрицательна. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений. RS-485 – полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.
     Микросхема ST485E (DD1) обеспечивает полудуплексную двунаправленную передачу на большом расстоянии с высокой скоростью передачи данных. Типичными применениями этих схем являются локальные сети, промышленная электроника (устройства с программируемыми логическими контроллерами), автоэлектроника и компьютерные интерфейсы. Современные тенденции в области передачи данных ведут к развитию более быстрых устройств с меньшими ошибками бита данных, и ST485 выполняет все эти требования.
     ST485 ? это приемопередатчик для интерфейсов RS-485 и RS-422 с питанием от +5 В. Состоит из одного передатчика и одного приемника. Типовой ток потребления составляет 300 мА при полной нагрузке. Диапазон входного напряжения синфазного сигнала от –7 до +12 В с типовым входным гистерезисом 70 мВ. Скорость передачи данных более чем 10 Мбит/с.
     Передатчик имеет защиту от перенапряжений при коротких замыканиях и от температурного перегрева, которая переводит его выходы в состояние высокого импеданса, а также защиту от искровых и электростатических разрядов.
     На рисунке 2.3 показана внутренняя структура ST485 и принцип передачи сигнала. Линейные выводы передатчика и приемника объединены, то есть двунаправленная связь фактически может быть только полудуплексной. Управление через выводы RE и DE осуществляется для доступа к приемнику или передатчику соответственно и во многих приложениях оно совместное. Передатчик имеет ввод TTL при дифференциальном выходе. Дифференциальный вход приемника внутренне связан с выходом передатчика [7].
     
     
     
     Рисунок 2.3 – Передача синхронного сигнала максимального допустимого напряжения.
     
     Для питания микросхем используется стабилизатор напряжения +5 В на интегральной микросхеме (DA1). Прибор питается от сети переменного напряжения 220 В/50 Гц. Источник питания состоит из понижающего трансформатора Т1, мостового выпрямителя VDS1, сглаживающего конденсатора С2.
     
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    3 Расчёт и выбор элементов схемы ультразвукового расходомера

     Производим расчёт и выбор элементов схемы стабилизированного источника питания прибора. 
     а) Определяем ориентировочное значение максимального напряжения Uобр..д. на диодах мостовой схемы:
     
                    	                 (3.1)

где 



     б) находим среднее значение тока Iср. д. через диод:

                                                      ,       	                             (3.2)

                                                          (3.3)

                                            



     в) определяем действующее значение тока Id через диод:
     
                       .......................