關(guān)于高精度超聲波流量計的設計

    1 超聲波流量計系統簡(jiǎn)介

    時(shí)差法超聲波流量計的原理是利用超聲波在流體中順流，逆流傳播速度變化，引起超聲波的傳播時(shí)間變化，根據這兩個(gè)時(shí)間來(lái)測量流速進(jìn)而計算出流量，具有非接觸、高靈敏度的特點(diǎn)。

    在管道的兩側或明渠的兩邊斜向安裝兩個(gè)換能器，使其軸線(xiàn)重合在一條斜線(xiàn)上，如圖1所示。

    測量原理：先測得順流時(shí)由探頭A發(fā)射的超聲波脈沖到達探頭B接收的時(shí)間t1，再測得由探頭B逆流發(fā)射超聲波脈沖到探頭A接收的時(shí)間t2，則：

    式中：Dt為隨機信號渡越距離為L(cháng)時(shí)所用的時(shí)間；

    D為管道直徑；

    θ為為聲路與流體流向間的夾角；

    C₂為管道內流體流速中聲速值；

    u為管道內流體流速。

    只要測出順流和逆流傳播時(shí)間t₁和t₂就能求出沿管軸方向的平均流速v，進(jìn)而得到流量，這種方法避免了求聲速C的困難，不受溫度的影響，容易得到可靠的數據。流體的流量由公式確定，其中K是流體動(dòng)力學(xué)修正系數。

    2 流量計系統的組成

    本流量計主要分為兩部分：流量主機和流量變送器。流量計主機的功能是接受由流量變送器發(fā)來(lái)的信息，計算流量及積累流量，對流速和流量數據進(jìn)行可靠性檢驗及校正，控制流量等信息的顯示，打印等，控制鍵盤(pán)操作及流量變送器工作，進(jìn)行參數存儲，掉電檢測，并內插丟失數據，進(jìn)行上電自檢及系統定時(shí)檢查，出錯告警等，可同時(shí)分別控制八個(gè)流量變送器。流量變送器的功能是產(chǎn)生超聲波換能器所需的驅動(dòng)信號，檢測換能器接收信號，對信號進(jìn)行自動(dòng)增益放大處理，向主機回送測量的超聲波傳播時(shí)間及狀態(tài)信息。另外流量計主機還可跟微機進(jìn)行通訊，可通過(guò)微機進(jìn)行報表，圖表顯示，數據存儲，打印，參數設計及提取等。主機跟變送器及微機之間的通訊都是通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行的。

    3 流量變送器

    流量變送器是流量檢測的核心部分。流量計精度的高低和可靠性的好壞都直接與這部分的設計和制作有關(guān)，流量變送器的主要功能有：（1）產(chǎn)生超聲波傳感器發(fā)射驅動(dòng)信號；（2）檢測處理接收信號并識別第一個(gè)正脈沖信號；（3）進(jìn)行自動(dòng)增益控制；（4）計算各聲路的傳播時(shí)間；（5）計算水位換能器的傳播時(shí)間；（6）向主機回送測量的時(shí)間及狀態(tài)；（7）進(jìn)行周期性及系統檢查；（8）進(jìn)行各聲路之間和水位通道的切換。

    流量變送器的微處理器采用51系列單片機，實(shí)現流量變送器的控制功能，包括傳感器驅動(dòng)控制，驅動(dòng)/接收轉換控制，驅動(dòng)/接收轉換控制，A/D和D/A控制，傳播時(shí)間測量計算，通信控制等；邏輯控制電路和計數器等采用CPLD器件來(lái)實(shí)現，完成計數和邏輯控制功能。

    流量變送器的微處理器采用51系列單片機，實(shí)現流量變送器的控制功能，包括傳感器驅動(dòng)控制，驅動(dòng)/接收轉換控制，驅動(dòng)/接收轉換控制，A/D和D/A控制，傳播時(shí)間測量計算，通信控制等；邏輯控制電路、計時(shí)電路、計時(shí)輸出控制電路及譯碼電路采用CPLD器件來(lái)實(shí)現。

    4 基于CPLD的高精度計數器

    流量變送器的計時(shí)電路是用來(lái)計超聲波在液體中的傳播時(shí)間的，采用CPLD來(lái)實(shí)現，CPLD內部計時(shí)電路是利用較低頻率的時(shí)鐘通過(guò)邏輯分析實(shí)現倍頻從而設計出高精度計數器，提高了計時(shí)電路的精度。普通的TTL集成電路計數器，即使是最快的F系列，最高頻率為90M，一般無(wú)法滿(mǎn)足精確測量的要求，假如采用TTL分立元件來(lái)實(shí)現計數器電路，由于分布參數的影響和各元件之間的時(shí)序配合，其允許最高工作頻率會(huì )有所下降，這在有關(guān)的實(shí)驗中已經(jīng)證明采用TTL分立元件來(lái)實(shí)現高精度的計時(shí)是行不通的。

    理論分析

    由于測量超聲波的傳播時(shí)間誤差要求在7ns以?xún)�，本設計中采用80MHz時(shí)鐘設計出160MHz的24位計數器。具體分析如下：

    基準時(shí)鐘

    80MHz高精度，高穩定度的晶體振蕩器

    有關(guān)數據

    超聲波波速V=1450m/s

    基準時(shí)鐘周期T₁=12.5ns

    “精度”時(shí)鐘周期T₂=1/160M=6.25ns

    計數用二進(jìn)制位數N=24

    計數范圍n=2N=224=16M

    有關(guān)結果：

    精度計算T`=6.25ns<7ns（7ns達到設計要求）

    最長(cháng)可計時(shí)間t=nT₁+N₁T₂（）=16M×12.5+N₁×6.25≈105×10^-3

    最大距離L=v×t=1450×105×10-3=150m

    注：位數決定最大距離

    具體算法

    將80MHz的初始時(shí)鐘作為主計數器的高23位工作頻率，將其分頻倒相后形成兩位不同相位的時(shí)鐘用于解碼，經(jīng)譯碼后作為計數器最低位，以提高計數精度。兩路時(shí)鐘信號波形圖如下頁(yè)圖所示，在一個(gè)時(shí)鐘周期內兩路信號可以有兩種組合，根據這兩種邏輯組合值可以判斷時(shí)鐘停止計數時(shí)處于時(shí)鐘周期的前半周期還是后半周期部分，從而將計數精度提高到時(shí)鐘頻率的2倍。經(jīng)證明用此方法設計的高速計數器工作穩定，完全可以達到設計要求。

    5 結語(yǔ)

    針對超聲波應用系統易受噪聲干擾以及超聲波信號的空間衰減現象影響，從而要求超聲波傳感器工作在其最佳特性的特點(diǎn)，提出了采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）進(jìn)行計時(shí)和產(chǎn)生傳感器驅動(dòng)控制信號的方法，將該方法應用于超聲波流量計測量系統中，得到了比傳統型控制電路更好的精度和控制效果。