超聲波流量計(jì)因其具有非接觸式測量、通用性好、分辨率高、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)[1]。以時(shí)差法為基本測量原理的超聲波流量計(jì)需要準(zhǔn)確知道發(fā)射端的信號發(fā)射時(shí)刻及接收端的信號到達(dá)時(shí)刻。傳統(tǒng)方法通常是選取接收信號的個(gè)過閾值點(diǎn)作為信號到達(dá)的標(biāo)志[2]。但由于機(jī)械波的震蕩慣性, 測得的過閾值點(diǎn)總是滯后于超聲波信號到達(dá)的真正時(shí)間[3]。此外, 由于管道內(nèi)的溫度、壓力以及噪聲等因素干擾會導(dǎo)致接收信號發(fā)生衰減, 個(gè)過閾值點(diǎn)的位置也會產(chǎn)生變化, 從而使個(gè)過閾值點(diǎn)與超聲波發(fā)射時(shí)間間隔不是一個(gè)常量, ***終導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的測量誤差[4]。

  為了準(zhǔn)確確定接收端超聲波信號到達(dá)的時(shí)間, 降低噪聲信號的影響, 提出了相移鍵控調(diào)制檢測的方法。為了實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間間隔測量, 本論文采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP22作為時(shí)間測量芯片, 主控芯片選用MSP430F448芯片。為了延長聲程, 提高測量精度, 管道設(shè)計(jì)采用U型法, 測量管段內(nèi)部加裝了反射裝置。換能器是超聲波流量計(jì)的核心, 它的特性對于整個(gè)測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響, 為了避免測量誤差要慎重選擇系統(tǒng)換能器, 本論文在20mm管徑管道條件下。超聲波流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

  系統(tǒng)軟件要完成的工作有控制硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和結(jié)果顯示。軟件設(shè)計(jì)對象主要是單片機(jī)和TDC-GP22, 采用C語言作為編程語言。系統(tǒng)軟件主要分為兩部分:主程序模塊和中斷處理模塊。系統(tǒng)硬件是在軟件系統(tǒng)的控制調(diào)配下工作的, 因此在編程過程中也要考慮低功耗的要求, 本論文在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中在確保系統(tǒng)能正常工作的前提下, 設(shè)置系統(tǒng)低功耗模式, 此外單片機(jī)外設(shè)對系統(tǒng)的功耗有很大影響例如LCD、鎖相環(huán)等, 為了降低系統(tǒng)功耗這些外設(shè)閑置時(shí)要把它們?nèi)筷P(guān)閉。

  本系統(tǒng)的調(diào)試首先以模塊調(diào)試方法進(jìn)行, 各項(xiàng)功能模塊調(diào)試通過后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試;采用該方法極大提高了問題的解決效率。

  本系統(tǒng)的整機(jī)測試由軟件程序和硬件電路結(jié)合來進(jìn)行, 通過加載軟件程序代碼, 對硬件電路進(jìn)行配置、輸出等操作, 在確保軟件代碼有效的情況下, 驗(yàn)證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)是否有效。因此, 在確認(rèn)硬件電路無誤后, 對流量測量系統(tǒng)進(jìn)行***終驗(yàn)證。

  本論文是研發(fā)設(shè)計(jì)一款基于時(shí)差法的單聲道超聲波流量計(jì)。論文在對國內(nèi)外超聲波流量計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入研究和調(diào)查的基礎(chǔ)上, 針對國內(nèi)產(chǎn)品存在的問題, 提出了一種全新的超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案, 方案包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、測量管段和超聲換能器四個(gè)部分。硬件系統(tǒng)采用TDC-GP22為高精度時(shí)間測量芯片, MSP430單片機(jī)為主控微處理器, 實(shí)現(xiàn)了電路簡單、高精度時(shí)間分辨率、低功耗和成本低的特點(diǎn)。本論文提出的相移鍵控設(shè)計(jì)方案, 經(jīng)整機(jī)檢驗(yàn), 可以有效解決由于換能器以及反射板或管道內(nèi)壁上的沉積物和管道內(nèi)的氣泡引起的接收信號波的識別問題。