新型管段式超聲波液體流量計的設計

楊 彬 ，秦 文 ，張阿真

（1.中環天儀股份有限公司，天津 300384；2.河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

在工農業生產自動化過程中，流量檢測已成為檢測技術的重要組成部分。隨著工業日益飛速的發展、新能源的開發以及人類環保意識的不斷增強，如今流量測量不僅需要滿足生產過程的穩定，還得滿足高精度、低誤差、實時性強、能夠實現遠距離集中控制的標準，從而使生產及測量達到最優化的要求。

為了符合實際現場需要及測量要求，人們根據不同的測量原理，發明了多種不同類型的液體流量計。目前，由于超聲波液體流量計具有非接觸、檢測范圍廣、安裝簡單、便于維護、影響測量因素少、精度高、重復性好的特點，此類流量計在流量檢測領域正被廣泛應用[1]。本文以單聲道液體流量計為研究對象，設計了一款滿足工業要求的超聲波流量計。樣機采用復雜邏輯可編輯器（CPLD），搭建高速、精準的數字邏輯電路，完成聲波信號的發射與回波信號的接收，不僅簡化了主板上復雜的硬件電路，而且也達到了測量精度高的要求。

1 超聲波流量計的工作原理

超聲波流量計的設計采用時差法的工作原理，通過測量聲波正逆程傳播的時間差，進一步求出流體通過管節的流量。

如圖1所示，在管段兩側分別裝有同樣的超聲波換能器A和B，二者分別具有超聲波的發射與接收功能。換能器與管壁的夾角成β角，管道直徑為D，換能器之間的聲波傳播路程為L，聲波在流體速度為0時的傳播速度為c，流體的流速為v。流體中聲波從A發送到B，稱為逆程發射，傳播時間為t1；聲波從B發送到A，稱為正程發射，傳播時間為t2。

圖1 超聲波流量計原理圖Fig.1 Schematic of ultrasonic flowmeter

聲波在流體中的實際傳播速度c0等于流體流速v與聲速c的矢量和，即：

根據上式可知超聲波正、逆程的傳播時間t1、t2為

式中：v為流體在管道內的平均流速，與超聲波聲速無關，因此不會受到媒質的種類、密度、壓力、溫度等因素的影響，從而提高了測量結果的精度[2]。

2 超聲波流量計的設計

2.1 系統整體設計結構分析

在超聲波流量計系統中，影響其測量精度及穩定性的核心因素是系統的電路設計[3]。經過與當前流量計的比較，和反復試驗論證，設計了如圖2所示的超聲波流量計的系統結構。本系統主要由主控芯片MCU與邏輯控制芯片CPLD及外圍電路構成。單片機完成485通信、液晶顯示、集電極（OCT）輸出及數據的存儲和計算；在CPLD芯片內部，通過Verilog語言程序編寫，集成有多個高速、精準的數字邏輯控制電路，包括超聲波發射的驅動脈沖電路、順逆流切換器、分頻器、及一些高速計數器。CPLD的使用不僅省去了許多復雜的硬件電路，而且還配合單片機測量出較高精度的時間差[4]。除此之外，系統還設計了模擬電路部分，包括驅動信號的功率放大電路、發射與接收切換電路、自動增益調節（AGC）電路、濾波選頻電路、過零和過電壓比較電路。

圖2 超聲波流量計系統結構圖Fig.2 System structure of ultrasonic flowmeter

2.2 系統主要電路設計

超聲波流量計的設計中，換能器的載波頻率選為1 MHz，發射信號采用低電壓多脈沖方式，經CPLD內的脈沖發射器，同時產生2組相位相反的方波，每組包含10個1 MHz的連續脈沖，幅值為3.3 V[5]。為了能夠驅動換能器發射連續、高質量、衰減強度小的超聲波，設計了如圖3所示的功率放大電路。

電路中采用了2片TC4427AE芯片，此芯片為雙通道MOSFET驅動器，具有功率放大功能，允許最大峰值電流為1.5 A，電源電壓15 V，可以將TTL電平信號轉換為電源電壓信號電平。D+、D-和U+、U-分別為驅動正逆程發射的TTL電平脈沖信號，2組信號由CPLD輸出。2片驅動器的相同輸入端的電壓極性相反，幅值大小相等，輸出端電路呈互補對稱結構，整個電路構成1個BTL放大電路。由于換能器是容性負載，為了提高波形質量，減小上升沿與下降沿的尖峰脈沖，輸出端負載采用8個IN4007二極管和200 Ω的分流電阻，放大前與放大后的脈沖信號如圖4所示。

圖3 發射信號功率放大電路Fig.3 Power amplification Circuit of transmitted signal

圖4 發射信號放大前后波形對比圖Fig.4 Waveform comparison of Emission signal before and after amplification

由于管道中流體的速度不是理想穩定的，當流速變化時，會造成回波信號幅度的變化，為了穩定信號幅度、降低噪聲，在接收換能器接收到回波信號后，對其進行相應控制，以提高回波信號的質量[6]。自動增益控制電路如圖5所示，接收信號經過初級放大后，進入自動增益調節控制（AGC）功能塊。

圖5 自動增益控制AGC結構圖Fig.5 AGC system structure diagram

AGC功能塊由可控增益放大調節、選頻濾波、包絡檢波、A/D轉換、單片機內部增益運算、D/A轉換等環節組成。每次自動增益調節都需要將濾波后的接收信號進行包絡檢波，經A/D采樣后，單片機讀取回波信號的最高幅值電壓，通過與單片機內部設置的峰值電壓比較，并進行相應運算，經D/A轉換后得出相應的AGC控制電壓。因可控增益放大器的供電電壓為+12 V，AGC端口控制電壓范圍為4 V～7 V，而D/A的參考電壓為2.5 V，故需將控制電壓再放大，可控增益放大器才可以進行相應的增益調節[7]。在每次聲波發射和接收前，單片機都會根據上一次相同方向上回波信號的幅值變化，對回波信號的幅值進行增益調節控制。由于AGC功能塊的作用，保證了回波信號幅值在流速發生變化時的穩定性[8]。

2.3 信號邏輯時序設計

在回波信號接收時，通常會遇到各種噪聲和干擾，如果不對其進行處理，會造成測量結果精度降低。本超聲波流量計的精度等級要求為1級，由于流量計的精度與聲波傳播時間測量的精度息息相關，需要對回波信號的有效性進行檢驗，并對系統的時序邏輯進行相應設計。

系統整體的邏輯控制時序如圖6所示，在聲波發射切換開關的控制下，正程與逆程的發射交替進行，互不影響。換能器的驅動信號為10個方波脈沖，在CPLD內設置邏輯控制器，在每次測量前邏輯控制器發射Begin信號，觸發逆程驅動信號的發射。為了避免回波接收完整，不疊波、錯波，需要根據聲波傳播路程和流經管道截面流量的范圍，計算聲波的傳播時間，從而預先設置各個時間參數[9]。每次測量，首次逆程發射時，打開計數器KUP，進行逆程計數。同時，打開計數器K2，待K2溢出時，經歷的時間為t0，進行正程首次發射，并打開計數器KDN。將回波的有效時間點到下一次發射的相隔時間分別記為t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1），為了提高每次測量結果的分辨率，同時也為了避免增加不必要的功耗，經過數次實驗得出，正逆程發射次數N為100次時效果最佳。

圖6 信號邏輯時序圖Fig.6 Logical sequence of signal

在正逆程回波接收時，需要進行去噪、濾波，以保證回波的有效性。采用范圍門對回波信號進行時間范圍的控制，在回波最早到達時間的0.6倍處打開接收通道，這樣可以防止發射脈沖帶來的干擾及其它干擾，在回波最晚到達時間的1.5倍處關閉接收通道，通道打開的時間為回波信號接收的范圍門。另外，在過電壓比較與過零比較模塊中，設置門檻電壓為+1.2 V，當檢測到高于+1.2 V的電平信號時，認為此信號有效，否則視為噪聲。系統將過門檻電壓后的第一個過零時刻視為回波接收的有效點，CPLD會通過此點觸發相應的計數器K1、K3啟動計數，當K1、K3溢出，累計時間經過 t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1）時，立即觸發下一次發射。當經過100次測量后，CPLD將計數器KUP和KDN的計數值分別存入數據緩存器中，等待單片機的讀取。所以，根據以上理論設計，令計數器KUP和KDN經過的時間為T1和T2，則時間差

3 實驗結果及分析

根據國家超聲波流量計檢定標準，檢測流量計的指標主要有3個：相對示值誤差、檢定點示值誤差及重復性[10]。令Qi為管道中流體在不同檢定點時的流量，Qij為被檢表流量，Qij′為標準表流量，ΔEij為第i檢定點第j次檢定時的相對示值誤差，ΔEi為檢定點示值誤差，δi為第i檢定點的重復性，待測參數的計算公式為

式中：n為第i檢定點的檢定次數，根據以上公式得出流量計的相對示值誤差為重復性為（δi）max。為驗證此流量計能否達到預期設計目標，通過稱重法對超聲波流量計進行標定實驗，電子稱的分辨率為萬分之一，現場環境溫度為10℃，環境濕度為25.0%RH，圖7為對DN250口徑標定的現場圖片，檢定結果及數據記錄如表1所示。

圖7 稱重法標定DN250口徑現場Fig.7 Weighing method site of DN250

表1 DN250口徑檢定結果與數據Tab.1 Test results and data of DN250

表1的數據結果顯示，此超聲波流量計在DN250口徑下的示值誤差為-0.95%，重復性為0.13%，精度等級能夠達到1級標準。另外，還對DN80、DN100口徑進行了標定，實驗結果均能達到1級標準。說明了此流量計的測量精度較高、性能良好，完全能夠滿足工業測量的要求。

4 結語

本文介紹了基于CPLD技術的超聲波流量計的基本特點及應用原理，針對超聲波流量計的精度問題，進行深入研究。通過采用自動增益調節控制（AGC）電路，對回波信號的增益進行穩定調節，避免了因流速變化或其它原因造成的回波信號幅值不穩的問題。同時，采用CPLD搭建的數字邏輯時序電路，具有速度快、延遲性小、精確度高的優勢。此樣機設計經過嚴格的標定檢驗，精度等級可以達到1級水平，完全能夠滿足工業現場的需求，具有廣闊的市場前景。

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發改委：實施增強制造業核心競爭力重大工程包

發改委8月4日下發關于實施增強制造業核心競爭力重大工程包的通知。通知要求，力爭用較短時間率先在軌道交通裝備、高端船舶和海洋工程裝備、工業機器人、新能源（電動）汽車、現代農業機械、高端醫療器械和藥品等6個重點領域，突破一批重大關鍵技術實現產業化，建立一批具有持續創新發展能力的產業聯盟，形成一批具有國際影響力的領軍企業。積極吸引社會投資加大投入力度，加快推進重大工程實施。

通知明確，軌道交通裝備關鍵技術產業化項目，重點任務為譜系化動車組研發、示范應用及產業化；城市軌道交通車輛研發、示范應用及產業化；軌道交通控制系統研發、示范應用及產業化。高端船舶和海洋工程裝備關鍵技術產業化項目，重點任務為重大產品示范應用、關鍵設備和系統產業化、智能船廠建設、重大產品研發和試驗檢測平臺建設。工業機器人關鍵技術產業化項目，重點任務為整機系列化產品開發應用及數字化生產方式改造、關鍵零部件研制及示范應用、第三方檢驗檢測能力建設。新能源（電動）汽車關鍵技術產業化項目，重點任務為新能源汽車整車控制系統產業化、新能源汽車車身和結構輕量化、插電式深度混合動力系統產業化、先進動力電池及其系統集成產業化。現代農業機械關鍵技術產業化項目，重點任務為重點農機裝備產業化及示范應用、關鍵零部件研發及產業化、研發檢測能力建設。高端醫療器械和藥品關鍵技術產業化項目，重點任務為高端醫療器械研發及產業化、高端藥品研發及產業化。

通知指出，積極引導各類金融機構加大對重大工程實施的信貸支持。鼓勵企業以多種方式開展產品融資租賃業務，通過履約擔保的方式降低業務風險。對符合條件的實施企業在發行股票、企業債券、公司債、中期票據、短期融資券以及吸收私募股權投資等方面給予支持。并創新中央財政資金安排方式，探索獎勵引導、資本金注入等方式，推進重點領域突破關鍵技術實現產業化，加強檢驗檢測認證等公共服務平臺建設。以中央預算內投資為引導，吸引社會資金進入，逐步擴大先進制造產業投資基金規模，扶植創新發展的骨干企業和產業聯盟，整合產業鏈上下游資源，促進利益共享、風險共擔。 來源：中國證券報