（物理电子学专业论文）基于fpga超声波流量计的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 超声波流量检测技术根据被测流体对超声波传播速度产生调制来实现流速 测量。近年，随着数字信号处理技术、大规模数字电路的应用以及新型超声换 能器的出现，促使超声波流量检测技术取得了长足进步，具有精度高、非接触 测量、易安装维护、应用范围宽、智能化、便于临时监测等特点，被大量应用 于工业生产、石油天然气勘探、航空航天、核能利用、医疗检测等诸多领域。 本文通过对大量文献阅读，在借鉴和吸收国内外先进技术的基础上，详细 介绍了超声波流量计的基本原理和实现方法，确定了基于f p g a 时差法超声波 流量计的研究课题。对影响超声波流量计测量精度的因素进行了细致分析，在 此基础上进行了相关设计，主要取得了以下研究成果： 优质的超声波发送和接收是第一步。本文对换能器发射电路进行了细致设 计研究，包括换能器选择、驱动、探头收发切换控制电路。在此基础上获得了 稳定的超声波发射信号。采用三级滤波放大对接收信号进行处理，经高速比较 电路和f p g a 得到适合测时模块识别的停止信号。 对时差法超声波流量计流速计算进行改进，在一定程度上避免了温度对测 量精度的影响，并在计算中引入时间和流速修正，进一步提高测量精度。在影 响超声波流量计精度的因素中，时间测量是关键。本课题采用德国a c a m 公司 t d c g p 2 芯片对时间进行多次测量取平均值，结合f p g a 对其进行修正、建立 消除噪声干扰的延迟窗口，提高顺逆流时间的测量精度。 粘性流体在圆形管道中的运动复杂，在要求精度较高的测量中，必须对线 平均流速进行修正得到面平均流速，否则测量精度难以保证。本文详细分析了 流体在不同运动状态下的速度修正系数，结合f p g a ，通过计算判断待测流体 运动状态，根据运动状态对流速进行实时修正，为测量精度的进一步提高打下 理论基础。 设计了本研究课题的实验装置，测得各模块实验波形，验证了设计的正确 性。并且通过对测时模块的调试，可知其时间分辨率达o i n s ，为研制和开发较 高精度的时差法超声波流量计打下了坚实基础。 关键词：超声波流量计，时差法，f p g a ，测时精度，流速修正系数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e mt e c h n o l o g yw h i c h c a l lm e a s u r et h ef l o wo ff l u i d ， w h i c ha c c o r d i n gt of l u i df l o wm o d u l a t e sp r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fu l t r a s o n i cw a v e i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs i g n a lp r o c e s s o rt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no f l a r g e s c a l ed i g i t a lc i r c u i t s ，a n dt h ee m e 唱e n c eo fn e wu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s ，t h e u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e mt e c h n o l o g yh a so b t a i n e dag r e a ta d v a n c e m e n t ，w h i c h h a st h ea d v a n t a g e so fh i g h - p r e c i s i o n ，n o n c o n t a c t ，e a s yi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ， w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i n t e l l i g e n t ，c o n v e n i e n tt e m p o r a r ym o n i t o r i n ge t c i t i s w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，o i la n dg a se x p l o r a t i o n ，a e r o s p a c e ，n u c l e a r e n e r g yu s a g e ，m e d i c a lt e s t i n ga n dm a n y o t h e rf i e l d s t h r o u g hr e a d i n gl a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e s ，o nb a s i so fa b s o r b i n ga n dr e f e r r i n g t ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y , t h ep a p e ri n t r o d u c e s b a s i c p r i n c i p l ea n dr e a l i z i n gm e t h o do ft h e u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , r e s e a r c hp r o j e c t so fu l t r a s o n i cf l o w m e t e rb a s e do nf p g ac h i pi sd e t e r m i n e d f a c t o r s a f l e e t i n gt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri s d e t a i l e da n a l y z e d ，o n t h i sb a s i s ，g i v e nt h es y s t e md e s i g ni d e a s t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e n a c h i e v e d ： t h ef i r s ts t e pi st os e n da n dr e c e i v eh i g h - q u a l i t yu l t r a s o n i cw a v e s t a b l e u l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n gs i g n a li sg a i n e db a s e do nd e t a i l e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fu l t r a s o n i ct r a n s m i t t e rc i r c u i t ，i n c l u d i n gt r a n s d u c e rs e l e c t i o n ，d r i v ec i r c u i t ， t r a n s d u c e r ss w i t c h i n gc o n t r o lc i r c u i t r e c e i v e ds i g n a li sp r o c e s s e db yt h r e ef i l t e r i n g a n da m p l i f i c a t i o n b yh i g h - s p e e dc o m p a r a t o rc i r c u i ta n df p g ap r o c e s s i n go b t a i n e d s u i t a b l em e a s u r e m e n tm o d u l eo ft h es t o ps i g n a l t h ef l o wr a t ea l g o r i t h mo fu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri si m p r o v e di nt h i sp a p e r , a n d i nac e r t a i ne x t e n t ，r e d u c i n gt h ei m p a c to ft e m p e r a t u r eo nt h em e a s u r e m e ma c c u r a c y f u r t h e r m o r e ，a d d e dt i m ea n df l o wr a t ec o r r e c t i o ni na l g o r i t h m ，t of b r t h e ri m p r o v e m e a s u r e m e ma c c u r a c y t r a n s m i s s i o nt i m ei sak e yf a c t o rt oa f f e c tt h ea c c u r a c yo f u l t r a s o n i cf l o w m e t e r t h e u l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nt i m ei sm u l t i p l ep r e c i s i o n m e a s u r e db yt i m em e a s u r e m e n tc h i pt d c g p 2o fg e r m a na c a mc o m p a n ya n d m a d ea v e r a g ec o n s i d e r a t i o n c o m b i n a t i o no ff p g aa m e n d si t ，e s t a b l i s h e dt h ed e l a y w i n d o wt oe l i m i n a t en o i s ei n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v e dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f t h e d o w n s i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h em o v e m e n to fv i s c o u sf l u i di sc o m p l e xi nac i r c u l a rp i p e ，s oi tm u s tb e c o r r e c t e dl i n ea v e r a g ev e l o c i t yi nm e a s u r e m e n tt or e q u i r eh i 曲p r e c i s i o n o t h e r w i s e ， t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sd i f f i c u l tt og u a r a n t e e t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd e r i v e s t h ef l o wr a t ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ti nd i f f e r e n ts t a t eo fm o t i o n c o m b i n a t i o no f f p g a ，a c c o r d i n gt oc a l c u l a t et oj u d g et h es t a t eo ff l u i do fm o t i o n f u r t h e rt oa m e n d t h ef l o wr a t ea c c o r d i n gt h es t a t eo fm o t i o n ，i m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y e x p e r i m e n t a ld e v i c eo fu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , b y m e a s u r e dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m so fe a c hm o d u l et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g n t i m er e s o l u t i o nh a sa c h i e v e d u p t oo 1n s b yd e b u g g i n g t i m e m e a s u r e m e n tm o d u l e t h i sp a p e rl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gh i g h p r e c i s i o nu l t r a s o n i cf l o w m e t e r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cf l o w m e t e r , t i m e d i f f e r e n c em e t h o d ，f p g a ，p r e c i s i o no ft i m e m e a s u r i n g ，f l o wv e l o c i t yc o r r e c t i o nf a c t o r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超声波流量测量技术发展概述 超声波流量检测是根据被测流体对超声波传播速度产生调制来实现测量的 技术【1 1 。人类对超声波流量计的研究已经有着8 0 多年历史，随着科技发展和工 农业需要，超生波流量测量技术在水资源管理、石油、天然气、海洋观测、医 疗、河流等各种计量测试中有着越来越广泛的应用【2 吲。 1 9 2 8 年，r u t t e n 在德国发表专利，提出利用声信号测量介质流量，这也成 为利用超声波测流量最早的参考文献，从而带动了超声波流量计的逐步研究。 1 9 5 5 年，在美国诞生了世界上第一台基于频差法的马克森( m a x s o n ) 超 声波流量计，将其成功的应用于航空燃料油流量的测量，标志着超声波流量计 终于从研究阶段步入实用阶段，但由于其技术中利用多次循环扩大时差，导致 其测量周期长，容易受干扰卜纠。 2 0 世纪7 0 年代，前苏联科学家对流体力学进行了深入细致研究，分析了 管道内流体的流速分布规律，指出管道内流体运动存在层流和絮流两种状态， 提出了流速修正系数的理论计算公式。这一时代中后期，伴随电子技术的发展， 时间的较高精度测量成为可能，加上锁相环路技术的应用，超声流量测量技术 一些以前的弱点得到了克服，性能开始日趋完善，推广应用和理论研究也越来 越多【“7 】。 8 0 年代，伴随微处理器的出现和发展，单片机在超声波流量计中得到应用， 使其向智能化、高性能的方向发展，使得超声波流量计在工业测量领域开始真 正应用。 最近二十几年，由于工艺技术进步，微处理器功能越来越强大，数字信号 处理技术和高速数字控制芯片越来越成熟，并且随着专用数字信号处理d s p 芯 片、现场可编程逻辑门阵列f p g a 的出现和发展，使得超声波流量计控制芯片 能够进行复杂控制、逻辑处理和数据运算，简化电路，并且可以设计出更加友 好方便的人机界面。二十一世纪，超声波流量计向着更高性能、更加智能化方 向发展，使其在各种领域得到了更加广泛应用，为经济建设和可持续发展做出 突出贡献瞵吲。 武汉理工大学硕士学位论文 展观超声波流量测量技术的发展历史，美国最早从事这方面的研究，而且 快速就有产品投入使用。前苏联科学工作者对其理论进行了广泛的研究，为超 声波测量技术的发展打下了坚实的理论基础，同一时期西欧也对超声波流量计 进行了大量研究。日本是超声波流量计研究的后起之秀，开发出了很多性能优 异的产品，在提高测量精度、传播时间修正方面有技术独到，如富士超声波流 量计【1 睢1 ”。纵览全球超声波流量计产品，美国、日本、荷兰、德国、英国、加 拿大等处于领先水平。它们在超声波流量计研究和生产方面具有较高技术和丰 富的经验积累，主导着其发展趋势，占据了大部分市场份额，较著名的生产公 司有美国的c o n t r o l o t r o n 和p l o y s o n i c s ，日本的f u j i ，荷兰的i n s t r o r m e t ，德国的 k r o h n e 等【1 2 】。德国k r o h n e 公司生产的a l t o s o n i cv 型超声波流量计，其精 度小于0 1 5 ，可测管径1 0 0 1 0 0 0 m m ；美国c o n t r o l o t r o n 公司的1 0 1 0 p 1 型超 声流量计，精度小于0 5 ，可测可测管径达到6 1 0 0 0 0 m m 。 6 0 - - 7 0 年代我国超声波流量计研究工作才刚刚起步，北京大学、机械工业 部上海工业自动化仪表研究所开始相继研制，而此时国外早已有产品应用，相 比之下我国起步较晚【1 3 】。但在广大科研工作者的努力下，国产超声波流量计取 得了巨大进步，多家公司已经生产并批量投入市场。现在国内超声波流量计厂 家较多，如上海安锐自动化仪表有限公司、大连索尼卡电子有限公司、唐山大 方电子技术有限公司、南京卓玛机电有限公司、上海自动化仪表有限公司等。 上海安锐自动化仪表公司生产的a v f 型超声流量计精度小于1 ，可测管径 2 0 “0 0 0 m m ；大连索尼卡f v 2 0 0 0 8 3 3 型，精度小于1 ，可测管径1 5 6 0 0 0 m m 。 对比国内外超声波流量计发展历史和现有产品基本性能的比较，可以看出 我国超声波流量计性能相对落后。 1 2 超声波流量计的特点 流量计已经有几百年的应用历史，被广泛应用于日常生活、工业、农业、 军事、医学，很多科学家为其发展做出了杰出贡献。随着现代科技的不断进步， 人们在精度、压力损耗、可测速度、功耗等方面对流量检测仪表提出了更高要 求，这也直接促使了流量测量技术研发工作的深入。近年，高速、大规模数字 电路的应用，促使超声波流量计取得了长足进步，相对于传统流量计，其具有 以下特点： ( 1 ) 解决了大流量、大管径测量困难的问题，因为随着管径的增大，一般 2 武汉理工大学硕士学位论文 流量计会带来运输和制造上的困难，造价提高、安装不便、能耗加大。 ( 2 ) 超声波流量计提高了仪表的性价比，对管径的适应能力强，易安装， 易维护，并且对被测介质几乎没有要求，如水流、石油、天然气、化工液体、 放射性等均质流体。 ( 3 ) 非接触式测量。因为超声波流量计可制成非接触式测量仪表，所以流 体的流场不被破坏，无压力损失，可测量强腐蚀性、非导电性、放射性流体。 ( 4 ) 测量精度高几乎不受被测流体粘度、密度、温度、压力等参数的影响。 ( 5 ) 能够与计电脑等外界设备实现远距离通讯、控制及存储，便于远距离 实时监测流体的流速变化和流量曲线记录。同时可提供继电器信号和电流信号 输出，可以驱动其他装置，共同形成一个检测系统【l4 1 。 1 3 超声波流量计的测量原理 超声波流量检测技术发展到今天，为适用于不同场合要求，研发出了较多 类型的产品，按其测量原理分类主要有：时差法、多普勒法、相关法，其中传 播时差法和多普勒法是采用较多的方法f 1 5 】。 1 3 1 时差法 时差法根据超声波信号在流体介质中传播时，受介质流速影响，导致顺流、 逆流传播时间不同，并从中提取流速信息，进而求得流量的方法。其理论研究 全面，是最早应用于超声波流量计的方法，时差法流量检测技术也是目前广泛 应用的一种方法【协1 7 1 。随着电子技术的发展，时差法对高精度时间测量的要求 得以实现，使其测量精度、性能更加优越，其测量原理如图1 1 。 图1 1时差法测量原理图 待测流体运动速度为v ，发射角为9 ，管径为d ，超声波在静止流体中的 速度为c 。当上游换能器a 用于发送、下游换能器b 用于接收时，超声波传播 武汉理工大学硕士学位论文 顺流时间为t u p ；当下游换能器b 用于发送、上游换能器a 用于接收时，逆流 传播时间为丸扬w n 。 顺流方向传播时间： 逆流方向传播时间： 传播时间差为： 砌w 刀= 坌! ! 竺塑 c + v s i n 0 砌= 兰c 盖nv s i 拶 ( 1 2 ) 肌却一砌w 拧= 器cs i n ( 1 3 ) 一v 6 i 由于速度c 1 ，可近似得n c 2 1 ，2s i n 2 0 c 2 ，则有： a t = 2 d v t a n 0 ( 1 4 ) c 。 由上式可得： 则其体积流量公式为： 1 3 2 多普勒法 v ： ! ： 丁 v = 一 2 d t a n 0 q = 等v ( 1 5 ) ( 1 6 ) 多普勒效应是指由于波源与观测者的相对运动，导致观测者感觉到声波频 率有所变化的现象。在基于多普勒原理的超声流量检测系统中，超声波换能器 为固定声源，当发射的超声波遇到随流体运动的固体颗粒或者气泡将反射回另 一换能器，根据多普勒效应接收到的声波频率与发射源的声波频率将会产生差 值，从这个频率差值中可提取出流速信息【l 引。 如图1 2 所示，超声波发射换能器以一定的角度a 发出频率为f l 的超声 波，流体中的悬浮颗粒将超声波反射到接收换能器，受多普勒效应影响，接收 4 武汉理工大学硕士学位论文 到的超声波频率发生变化为f 2 。待测流体速度为v ，超声波在静止流体中速 度为c 。 图1 2 多普勒法测量原理图 根据多普勒效应则产生的频移为： a f ：2 v s i n o 厂1 c 于是： 1，2志2fls i n o 鲈 1 ，= 一， 7 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 多普勒法超声波流量计适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的测量，测量精度 易受固体颗粒或者气泡浓度、大小的影响【1 9 1 。 1 3 3 相关法 相关法测量原理如图1 3 所示，在某一时刻，用相同的激励信号同时驱动 换能器z 1 和z 2 ，分别经过时间t l 和t 2 ，信号被换能器a 和b 接收到，对信 号进行适当处理得到x ( t ) 和y ( t ) 。由于换能器z l 、z 2 为相同信号同时激励且在 一个工作区域内，所以两路信号在流场中受到基本相同的调制作用，x ( o 和y ( t ) 波形相似，探头a 接收到的信号x ( t ) 在时域上是探头b 接收到信号y ( t ) 时间间 隔为a t = t 2 t l 的简单延迟。换能器a 、b 记录的信号x ( t ) 、y ( t ) 满足相关函数( 2 眦1 l ： 订 x y ( t ) = l i mix ( t ) y ( t + z ) d t ( 1 9 ) i + 椰 式中t 是延时值，t 是测量时间，计算相关函数就是在不同延时下比较这 两个信号的波形相似程度，得到相关函数x y ( t ) 的图形，设该图形峰值位置所 对应的时间位移为t ，两探头间的距离为l ，则得到流速： v ：i ，a t ( 1 1 0 ) 5 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 相关法原理图 1 4 本文主要研究内容 器z 2 器b 受市场需求影响，国内超声波流量计生产厂家越来越多，但在总体性能上 相对稍差。一些国外超声波流量计生产企业利用各自在核心技术上的优势，在 高端产品上保持着传统的竞争力，这也直接导致了国产流量计市场占有率较低。 国外超声波流量计整体性能优异，但其价格也相当贵，阻碍了国内工业领域超 声波流量计的大规模使用。针对国内超声波流量计的发展现状，基于难度和可 实现性两方面因素的考虑，本论文对超声波流量计主要做了以下研究： ( 1 ) 对超声波发送进行研究 超声波的发送对其频率、功率等要求较高，发送高质量的超声波是整个系 统的第一步。 ( 2 ) 接收信号的处理研究 超声波信号在流体传播过程中产生衰减和扭曲，要实现高精度的测量，必 须对其进行合理高效的处理，得到适合数字电路识别的信号。如何设计高速高 质的接收信号处理系统是本课题的关键。 ( 3 ) 提高测时精度的研究 顺逆流时间测量精度是影响超声波流量计精确度的关键因素，研究设计高 精度的测时方法是整个设计的重难点。 ( 4 ) 流速修正系数的计算 流体在管道中的运动状态较复杂，根据理论公式计算出来的是沿超声波传 播方向上的线平均速度，而超声波流量计需要的是沿管道截面分布的面平均速 度，需要根据流体力学理论，对流速进行实时修正。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章超声波流量计设计方案 上一章介绍了超声波流量检测技术的发展历史，国内外发展现状和超声波 流量测量技术的三种原理。有了相关理论基础，要考虑的就是超声波流量计系 统的方案。 2 1 超声波流量计方案论证和确定 基于时差法的超声波流量测量，原理简单、理论成熟、可靠性好，是应用 最广泛的一类超生波流量计。多普勒法流量计多适用于含固体悬浮颗粒或气泡 的流体测量，其应用受到介质约束。相关法多用于两相流的流速测量中，测量 精度较高，且与所测介质种类、流速以及管道口径关系不大，使它更适合于小 管道的精确测量，但其需要多个换能器，进而增加了成本，相关的电路处理也 交得复杂【2 2 2 3 j ，对于本课题来说不符合科研实际条件。基于难度、经费、可实 现性等方面考虑，本课题选用时差法。 通过对大量论文的阅读和超声波流量计产品的调研分析，现场可编程门阵 列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 以其优越的性能特点在超声波流量 计中的应用越来越多。如天津大学陈学永硕士对基于“f p g a + 微处理器”模式 超声波气体流量计进行了研究设计；浙江大学、大连理工大学、电子科技大学 对超声波流量计进行了大量的研究和设计工作。 f p g a 是在可编程阵列逻辑( p a l ) 、可编程逻辑器件( p l d ) 、通用阵列逻 辑( g a l ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 等可编程逻辑器件基础上进一步发 展的产物，内部主要包括输入输出模块( i n p u to u t p u tb l o c k ，i o b ) 、逻辑块 ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 、连线( i n t e r c o n n e c t ) 等三个部分。f p g a 作为专用集成电路a s i c 中的一种半定制电路，不仅克服了定制电路产品一经 生成不可修改等问题的不足，又解决了以往可编程器件门电路数量有限的缺点。 f p g a 器件如同一堆积木或者一张白纸，设计工程师可根据产品需要，通过硬 件描述语言或者传统的原理图输入法对f p g a 内部的i o 和逻辑模块进行重新 配置，自由设计一个数字系统，以实现产品性能要求。在设计过程中，采用软 硬件协同设计、自顶向下的方法，设计者可以在非常抽象的层次上对电路进行 7 武汉理工大学硕士学位论文 设计，将硬件电路软件化，而且可在设计的早期对电路进行功能和时序仿真， 事先验证设计的正确性，它的使用可以有效的缩短开发周期、简化电路设计、 降低成本、提高系统可靠性，同时在生成后可实现电路的升级和修改。近年随 着先进生产工艺的使用和专门从事i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) c o r e 设计公司的出现， 越来越丰富的口嵌入到f p g a 器件中，涵盖了汽车工业、基本单元、通信和网 络、数字信号处理、数学函数、记忆和存储单元、标准总线接口等8 大类，工 程师从i p 库中选择需要的组件来快速组装一个硬件系统，这样可大大减轻工程 师的负担，而且使f p g a 不仅可实现各种逻辑功能，而且可以进行复杂的数字 信号处理【2 4 1 。 基于以上分析，本课题选用f p g a 器件作为核心处理单元，确定了基于 f p g a 时差法超声波流量计的设计方案，如图2 1 所示。 图2 1超声波流量计系统方案 ( 1 ) 超声波信号的发送 本设计采用中心频率1 m h z 的压电陶瓷超声波换能器。如图2 一l 所示，f p g a 输出数字信号，经驱动电路，由通道控制确定驱动哪只换能器，换能器将电能 转换为超声波信号发射出去，等待另一换能器的接收。为实现同一个换能器的 发送和接收，本系统设计了收发切换电路，即通道控制，当换能器a 做发射时， b 做接收；需要b 做发射、a 做接收时，通过切换电路实现切换。 ( 2 ) 接收信号的处理 8 武汉理工大学硕士学位论文 超声波信号经过流体后会发生较大的衰减，还有伴随噪声，在接收到信号 后，需要对其进行处理才能得到数字芯片可识别的信号。信号处理有放大、滤 波、比较电路组成，完成对接收到的有效信号进行放大，对噪声干扰信号剔除， 使其达到数字芯片可识别的电压范围。 ( 3 ) 传播时间测量 时差法超声波流量计中，上游换能器a 发射超声波信号经流体介质后被换 能器b 接收，这一时间段称为顺流传播时间；下游换能器b 发射经超声波经流 体介质后被换能器a 接收，这一时问段称为逆流传播时间。顺流、逆流传播时 间的测量是超声波流量计最关键地方。 ( 4 ) f p g a f p g a 主要实现的功能有：驱动波形的产生、发送次数和切换通道的控制、 与测时芯片通信、触发器、消除噪声干扰延迟窗口计算、时间修正、流速修正 系数计算、流速计算等。 2 2 提高测量精度的设计 由时差法流量计的流速计算公式可以看出，影响速度测量精度的因数有顺 逆流时间t u p 、t d o w n 、超声波在静止流体介质中的流速c 、管径d 、安装角 度0 1 2 5 - 2 6 。另外根据时差法测速算法计算出来的流速v 是超声波射线上的平均 流速，但是超声波流量计实际需要的是流体管道截面平均分布的面平均流速可， 那么必须对1 ，进行修正。 2 2 1 时差法测量原理算法的改进 第一章介绍了时差法超声测量技术的基本原理，从公式中可以看到超声波 在静止流体介质中的流速c ，由于其在流体介质中传播时容易受温度影响，从而 影响了测量精度，本节对时差法的算法进行改进【2 7 1 。由超声波在流体中的顺流、 逆流时间计算公式可以得到： t d o w n t u p = 端 ( 2 - 1 ) 即可推导出： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ，d 2 c o s 20 c 一 t d o w n x t u p 将式( 2 2 ) 带入式v = 芴麦r 中有： ( 2 - 2 ) v 宣 望兰垒三 ( 2 3 ) 1 ，= = 一 iz - j t u p x t d o w n x s i n 2 0 由上式流速方程可以看出改进型算法中不含声速c ，在一定程度上避免了 温度对测量精度的影响。 2 2 2 管径测量 从体积流量q 的计算式中可以看出其与管径的三次方成正比，如果管径的 实际尺寸与测量值误差1 ，则由此引起的体积流量误差达3 ，管道内径d 成 为影响测量精度较大的因素之一。 所谓管道内径误差是测量工具测得值与真值之间的差。真值是指在测量一 个量时，该量本身的真实大小。但量的真值一般是不知道的，是一个理想的概 念。为了使用上的需要，在实际测量中，常用精度较高的工具对量取得测量值 来代替真值。另外为消除随机误差，如果无限多次测量某一量，可得到不受随 机误差影响的测量值，或其影响很小。在超声波换能器的安装过程中，为得到 准确的管道内径，选用精度较高的测量工具，多次测量测量取平均值【2 引。 本课题中选用的测量工具为准确度0 0 2 m m 的游标卡尺。由于直接测管道 内径不方便造成误差较大，因此从八个方向测量管道外径和壁厚取平均值作为 测量真值，用外径平均值减去两倍管壁厚度平均值就可以精确得到内径尺寸。 如下图2 2 所示，超声波换能器采用v 法方式，原因在下章将讲述到。测量后 得到管道外径为e 、壁厚为石，则内径d = e 一2 | 。 换能器 图2 2 超声波换能器安装示意图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 超声换能器安装角度 超声换能器的安装是超声波流量计开始测量前重要的一个环节，对接收信 号的质量造成直接影响。在本课题的设计中，选用的是发射角度为4 5 0 士2 的斜 探头压电陶瓷超声换能器。由流速计算式看出，流速v 与s i n 2 0 成反比，超声波 进入流体的入射角4 5 0 ，若安装角度误差1 。，则可使流速测量产生0 0 6 的误 差。为了尽可能减小安装角度带来的误差，同样采用准确度为o 0 2 m m 的游标 卡尺多次测距取平均值，得到精度较高的4 5 0 安装角。 2 2 4 时间测量 本课题中，超声波换能器采用v 法安装，顺逆流传播声程增加了一倍，那 么顺逆流传播时间也增大一倍，对流速的计算公式进行修改如下： 1 ，= 三生 垒! ( z 一- 4 - ) 1 ，= 一一 i， s i n 2 0 t u p t d o w n 根据研究设计的可测流速范围和管道内径，计算在不同流速下超声波在对 应管道中传播理论顺流、逆流时间，如表2 一l 。在实验中选取纯净水作为流体介 质，2 0 室温时，声音在水中速度1 4 8 2 3 m s 。 表2 1 顺流、逆流时间理论计算 ( 1 ) 可测最小流速o o l m s ，最小管径1 5 r a m 时 顺流时间n 如w n = 2 8 6 21 8 7 4 n s 逆流时间t u p = 2 8 6 2 2 1 4 8 n s 顺逆流时间差a t = 0 2 7 n s 旦= o 0 3 髫0 0 3 6 6 x 1 0 9 m s 2 弘t t u p t d o w n ( 2 ) 可测最大流速3 0 m s ，最大管径l o o m m 时 顺流时间几z d w n = 1 8 8 1 2 1 2 0 3 n s 逆流时间t u p = 1 9 3 5 8 3 7 8 5 n s 顺逆流时间差a t = 5 4 6 2 5 8 2 n s = f l y = 0 0 2 角0 0 0 5 5 x 1 0 9 m s 2 a t t u p t d o w 以 武汉理工大学硕士学位论文 分析表2 1 可以得出如下结论： ( 1 ) 超声波在管道中传播时间为u s 级，测量量程要求达到0 2 m s 。 ( 2 ) 为了计算时间分辨率及其它的参数，考虑流速测量最小情况，由表1 计算结果可知，如要使速度v 的测量精确度达到o o l n d s ，时间分辨率需要达到： 黑一黑矧0 2 7 3 门s 一= 一舟 玎胃 a y 弘丁0 0 3 6 6 1 0 9 要想达到o o l m s 的流速测量精度，时间分辨率必须到0 2 7 3 n s 。另外根据 流速计算公式，时间差丁对流速的相对函数传递误差为： 缸：旦堡：1 和2 面了2 测量时差丁的误差传递数为1 ，从上表可以看出时差丁的值很小，因此 能否精确对传播时间进行测量是影响超声波流量计精度的最主要因素，只有具 备较高的时间测量分辨率才能保证流量计的计量精度。 本文在参考大量资料和分析传统测量误差的基础上，利用德国a c a m 公司 设计产生的专用测时芯片t d c g p 2 结合f p g a 现场可编程的特点设计了一种 高精度测量时间的方法口9 1 。t d c g p 2 提供最小分辨率达6 5 p s 的测量精度，最 大测量量程4 m s ，将时间间隔直接转化为数字值，经四线s p i 接口与外部通信， 满足设计要求。但由于在实际测量中伴随着相关时延，如超声波在管壁中的传 播时间、信号处理延时等。为提高其测量精度，对顺逆流分别测量1 0 次取平均 值，并通过实验和理论计算出时间延迟t 对其进行修正，建立消除噪声干扰的 延迟窗口。 2 2 5 流速修正 流速v 是超声波射线上的平均流速，而超声波流量计需要实际计量的流速 是沿管道截面平均分布的面平均流速歹，由流体力学的半经验公式可知 歹= v k ，k 称为流速修正系数，因此流速公式修正为： 可： 三望苎垒! 一1 ( 2 5 ) v = 一x 一 z - ， t u p x t d o w n s i n 2 0 k 超声波流量计大多采用固定流速修正系数作为仪表常数，通过它把超声射 线上的流速折算成面平均流速。但实际上，流速修正系数与流体的介质、流速、 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 管径大小等因素有关，是雷诺数的函数，以常数简单折算会产生较大误差。在 本课题的研究中，采用实时动态修正法。f p g a 对雷诺数进行实时计算，判断 流体运动状态，并根据雷诺数确定流速修正系数，从而对流速实现实时修正。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 上章确定了基于时差法f p g a 超声波流量计的设计方案，根据测量原理将 整个系统的硬件分为五大部分：f p g a 开发板电路、电源、超声波换能器驱动、 发送接收切换电路、接收信号处理电路、测时模块。 3d 1 整体硬件结构 在本课题研究的流量计系统中，硬件部分包括超声波发射模块、信号处理 模块、测时电路、f p g a 开发板等。超声波探头安装完毕，初始设置确定完成 后，f p g a 开始计算延迟窗口，配置测时模块寄存器，控制探头的收发切换， 发出驱动波形经m o s f e t 驱动模块，驱动超声波换能器发射出超声波，并开启 测时模块的e ns t a r t 、s t a r t 端口；超声波经过流体被接收换能器收到，由调理 电路处理后得到数字芯片可识别的逻辑电平，向测时模块发送停止信号s t o p ， 测时模块通过通信接口向f p g a 发送时间数据，f p g a 根据相关算法计算出线 平均流速和修正系数k 值，进而计算得到管道内径截面平均速度。系统硬件构 架如图3 1 。 图3 1 系统硬件框图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 电源模块 在整个超声波流量计系统中，各部分电路所需要的电压范围不尽相同，兵 马未动粮草先行，只有满足各部分电路用电需要，才能让硬件工作起来。系统 中用到的电压有1 5 v 、5 v 、3 3 v ，为保证系统的稳定，电源需要稳定准确。 本系统利用交流2 2 0 v 电，经变压器、振流桥、滤波后，通过稳压芯片l m 3 1 7 得到+ 1 5 v 电压，l m 3 3 7 得到1 5 v 电压，7 8 l 0 5 得到+ 5 v ，7 9 l 0 5 得到5 v ， a m s l l l 7 得到3 3 v ，如图3 2 所示。 图3 2 电源模块电路 有上图看出，2 2 0 v 市电经变压器降压输入整流桥整流，c 1 、c 2 为大电 容，用于平波，在电压升高时，部分能量被存储起来，而当电压降低时，电场 武汉理工大学硕士学位论文 能量被释放出来，使后级负载电压平滑p o l 。l m 3 1 7 、l m 3 3 7 输入输出电压差为 4 0 v ，分别通过可调电阻r 1 、r 2 调整输出电压为+ 1 5 v 和1 5 v ，后经稳压芯片 7 8 l 0 5 、7 9 l 0 5 、a m s l1 1 7 分别得n + 5 v 、5 v 、3 3 v 电压。在每个芯片输入 输出端都加上电容减小纹波，输出质量较好电压。 3 3 超声波的发射 超声波流量计从超声信号中获取全部流动信息，如果超声信号本身有问题， 那么传播时间测量和流速流量测量都不会正确【3 1 1 。高质量的超声波发送模块， 是超声波流量计的前提，必须对其进行合理科学的设计。本研究课题中，将超 声波发送模块分为换能器选择安装、驱动电路、收发切换控制三部分p 2 1 。 3 3 1 超声波换能器的选择和安装 频率2 0 k h z 以上的声波称为超声波，它不仅是一种波动形式又是一种能量 形式。超声波换能器由压电材料、阻尼块及保护膜等组成，是将电能或其它形 式的能量与超声波能量相互转换的器件，其中压电材料是换能器的核心部分。 随着材料技术的发展，根据不同应用要求，出现了很多种压电元件，如压电陶 瓷、p v d f 薄膜、石英晶体等。其中应用最广泛的一种压电材料是压电陶瓷， 不论是在质量上还是数量上都处于支配地位。它具有以下优点：所用原材料价 格低廉；机械强度高，易于加工；压电性能优越，采用不同极化方式和不同形 状可以得到各种振动模式；品种齐全，可满足各种设计要求和场合p 引。 本课题采用的是压电陶瓷换能器，利用压电陶瓷的伸缩效应来实现电声能 量转化，其结构原理如图3 3 所示。 图3 3 超声波换能器结构图 1 6 保护腹 压电陶瓷 底座 引线端子 武汉理工大学硕士学位论文 当引线端加以高频电压时，换能器上的压电陶瓷晶片就会产生形变与振动， 发出随电压频率变化的超声波，这种现象也叫做逆压电效应。当换能器接收到 超声波时，引起压电陶瓷的弹性振动，在晶片上产生随超声波频率变化的电压， 这种现象也叫做正压电效应，能产生超声波的晶片也能接收超声波m j 。 超声换能器常用的外置安装方式有三种：z 法、v 法、