摘要： 為了實(shí)現(xiàn)小管徑、 小流量超聲波液體流量檢測， 研究了一種便攜式時(shí)差法小管徑超聲波液體流量計(jì)。 流量計(jì)以高速數(shù)據(jù)采集和互相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)為基礎(chǔ)， 采用雙處理器結(jié)構(gòu)完成信號(hào)采樣、 時(shí)差計(jì)算及人機(jī)交互， 解決了時(shí)差法小管徑超聲波液體流量檢測過程中波形畸變、 噪聲干擾、 時(shí)差測量、 探頭安裝等方面的問題。 

圖 1 時(shí)間差法流量檢測原理

 
由式 （4） 可知， 在超聲波換能器安裝距離 L 及液體類型已知的情況下， 可以由式 （5） 計(jì)算流速 V。
 

 
3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理：
 本文介紹的便攜式時(shí)差法小管徑超聲波液體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖 2 所示。
 系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)， 處理器 MCU1 負(fù)責(zé)超聲波信號(hào)發(fā)射、 采集時(shí)序控制及順、 逆流傳播時(shí)間差計(jì)算， 處理器 MCU2 負(fù)責(zé)流速、 流量計(jì)算及修正， 并完成人機(jī)交互。
 MCU1 和 MCU2 之間的數(shù)據(jù)交換通過共享數(shù)據(jù)區(qū)  （ 雙口RAM） 實(shí)現(xiàn)。
 在 MCU1 的控制下， 時(shí)序控制電路接通超聲波發(fā)射電路 ， 超聲波換能器 TR1、 TR2 同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖， 經(jīng)過

一 段時(shí)間后， TR1、 TR2 發(fā)射的超信號(hào)分別進(jìn)入對(duì)方換能器 （TR1→TR2， TR2→TR1）。 在接通超聲波發(fā)射電路的同時(shí)， 時(shí)序控制電路啟動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集電路， 以 40MSPS 的采樣速率自動(dòng)完成超聲波信號(hào)采集， 并將數(shù)據(jù)存放在 64kB的高速緩存中， 實(shí)時(shí)記錄下?lián)Q能器 TR1、 TR2 上所出現(xiàn)的一切信號(hào)。 一次信號(hào)采集完成后， 數(shù)據(jù)被讀入 MCU1 進(jìn)行分析處理， MCU1 將通過這些采集到的數(shù)據(jù)來完成時(shí)間差的計(jì)算。 MCU1 計(jì)算出的時(shí)間差通過共享數(shù)據(jù)區(qū)傳給MCU2， MCU2 依據(jù)時(shí)間差信息計(jì)算出流速、 流量及累積流量等， 并將它們通過 LCD 模塊顯示出來。
 
4、系統(tǒng)硬件組成：
4．1、超聲波信號(hào)高速數(shù)據(jù)采集電路：
 超聲波高速采集電路包含兩路 ADC 通道， 分別記錄探頭 TR1、 探頭 TR2 上所出現(xiàn)的信號(hào)。 它由兩路半閃爍式高速 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC5540、 64kB 數(shù)據(jù)緩存、 地址發(fā)生器、 采樣時(shí)鐘分頻器及時(shí)序控制器組成。 根據(jù)所用超聲波探 頭 的 不 同 ， 可 以 選 擇 40MSPS、 20MSPS、 10MSPS、 5MSPS 及 2．5MSPS 的采樣頻率。 對(duì)于不同的測量管徑 ， 采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度可以選擇 32kB、 16kB、 8kB 及 4kB。
 MCU1 在啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)發(fā)射一次超聲波脈沖 。數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)后， 時(shí)序控制器將按所選的采樣頻率產(chǎn)生ADC 的讀出時(shí)序和數(shù)據(jù)緩存的寫入時(shí)序， 地址發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)據(jù)緩存的地址序列， 實(shí)現(xiàn)兩路超聲波信號(hào)同時(shí)采集， 這一過程無需 MCU1 干預(yù)。 當(dāng)存儲(chǔ)深度達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止采樣， 并產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集結(jié)束信號(hào)。 在信號(hào)采樣過程中，可以通過查詢數(shù)據(jù)采集電路狀態(tài)寄存器來判斷采樣過程是否結(jié)束。 采樣結(jié)束后， MCU1 通過一個(gè)外部端口讀取數(shù)據(jù)緩存中的采樣值， 地址發(fā)生器自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)緩存的讀出地址序列， 使數(shù)據(jù)讀取按采樣數(shù)據(jù)寫入的順序進(jìn)行。
  數(shù)據(jù)采集電路實(shí)時(shí)記錄了探頭 TRA、 TRB 上超聲波發(fā)射及接收過程中所出現(xiàn)的一切信號(hào)。 通過對(duì)兩組超聲波采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 可以準(zhǔn)確的定位回波首波， 判斷噪聲的干擾情況， 剔除質(zhì)量差的信號(hào)， 避免回波首波出現(xiàn)缺陷或幅值太小對(duì)時(shí)間差測量可能帶來的影響， 并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出時(shí)差 t。
 
4．2、共享數(shù)據(jù)區(qū)電路：
 共享數(shù)據(jù)區(qū)是處理器 MCU1 和處理器 MCU2 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場所， 由雙口靜態(tài)存儲(chǔ)器 IDT7130 及相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成，  它既是 MCU1 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器的一部分， 也是 MCU2 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一部分。 共享數(shù)據(jù)區(qū)和雙處理器結(jié)構(gòu)的采用大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 實(shí)驗(yàn)表明流量檢測結(jié)果的刷**新 率 不 小 于 60Hz， *** 高 可 達(dá) 到75Hz （檢測結(jié)果刷新率與信號(hào)質(zhì)量成正比， 系統(tǒng)在進(jìn)行時(shí)差計(jì)算前按一定的規(guī)則識(shí)別并剔除存在波形畸變或干擾嚴(yán)重的測量點(diǎn)， 以保證時(shí)差測量的準(zhǔn)確性）。
 IDT7130 是 1kB 雙口 SRAM， MCU1、 MCU2 可以通過兩組獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線對(duì)其內(nèi)部的任何一個(gè)單元進(jìn)行操作。 共享數(shù)據(jù)區(qū)采用 IDT7130 的中斷功能， 當(dāng)MCU2 需 要 向 MCU1 傳 送 數(shù) 據(jù) 時(shí) ， 首 先 對(duì) IDT7130 的 0x03FE 單元進(jìn)行寫操作引起 MCU1 中斷， MCU1 在中斷后進(jìn)行中斷清除操作， 這樣 MCU1 就可以從 IDT7130 中讀取MCU2 寫入的數(shù)據(jù) 。 MCU1 向 MCU2 傳送數(shù)據(jù)也采用類似的方式。 整個(gè)操作均是對(duì)外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫，操作簡單快捷， 數(shù)據(jù)傳送量大。
 
4．3 人機(jī)交互電路
人機(jī)交互電路包括小鍵盤和 LCD 顯示兩部分。 鍵盤用于運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定及功能菜單的選擇， LCD 顯示采用MCG12864 液晶模塊 ， 用于顯示中文菜單 、 超聲波接收區(qū)波形、 流速、 流量、 累積流量、 信號(hào)強(qiáng)度、 逆流指示及日期、 時(shí)間等。
 通過功能菜單， 用戶只需輸入管道的尺寸， 選擇管道材料及被測流體種類， 系統(tǒng)即可準(zhǔn)確的測量各項(xiàng)參數(shù)。 特殊的 “探頭安裝向?qū)?rdquo; 功能可以引導(dǎo)用戶將探頭安裝在信號(hào)質(zhì)量***好的位置， 此時(shí) LCD 將為用戶顯示理論的安裝距離、 超聲波接收區(qū)波形、 超聲波接收區(qū)起始位置及信號(hào)強(qiáng)度， 一旦信號(hào)穩(wěn)定即可進(jìn)入流量測量， 極大簡化了測量操作。 對(duì)于信號(hào)幅度需要更改的場合， 通過調(diào)整 “探頭安裝向?qū)?rdquo; 菜單中 “信號(hào)增益控制” 可獲得理想的信號(hào)幅值。
 系統(tǒng)設(shè)置了 128kB 的 FLASH 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 根據(jù)不同的測量需求， 可以按不小于 1s 的時(shí)間間隔儲(chǔ)存 12000 組測量數(shù)據(jù)。 通過 “數(shù)據(jù)上傳” 功能選項(xiàng)， 可隨時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到具有 RS－232 串口的計(jì)算機(jī)， 或者通過 “數(shù)據(jù)打印 ” 選項(xiàng)， 將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行打印存檔。
 
5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：
 系統(tǒng)軟件包括鍵盤管理、 LCD 顯示、 數(shù)據(jù)通信、 時(shí)差測量、 流量處理與補(bǔ)償?shù)炔糠帧?nbsp;鍵盤管理、 LCD 顯示、 數(shù)據(jù)通信都具有較強(qiáng)的通用性， 本文不再介紹， 下面主要對(duì)時(shí)差計(jì)算部分的軟件設(shè)計(jì)思想進(jìn)行說明。 通過數(shù)據(jù)上傳端口得到的雙路超聲波信號(hào)如圖 3 和圖 4 所示， 其中圖 3 為探頭發(fā)射超聲波到接收對(duì)方探頭超聲波的整體波形， 圖 4為接收對(duì)方超聲波信號(hào)區(qū)域的放大波形。 整個(gè)波形的采樣長度為 4096 點(diǎn)， 對(duì)方探頭超聲波信號(hào)開始出現(xiàn)在第 2016個(gè)采樣點(diǎn)處， 測試所用超聲波探頭為 5P－K3－6×6 小徑管探頭。

時(shí) 差計(jì)算程序首先完成接收對(duì)方超聲波區(qū)域的搜索。
 程序?qū)从脩糨斎氲幕夭ㄋ阉鞒叨?（探頭安裝向?qū)е杏捎脩糨斎耄?nbsp;找出發(fā)射始波區(qū)域以后滿足要求的數(shù)據(jù)區(qū)， 對(duì)于存在的干擾， 程序按照一定的規(guī)則加以剔除。 在判定該接收波形有效后， 程序轉(zhuǎn)入時(shí)差計(jì)算。 如圖 4 所示， 程序逐一計(jì)算點(diǎn) A1、 A2， B1、 B2， C1、 C2， D1、 D2， E1、 E2之間的時(shí)差， 在確定不存在波形畸變后程序選取 A1 至 E1數(shù)據(jù)區(qū)間的順、 逆流數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理計(jì)算出順逆流時(shí)間差， 否則丟棄當(dāng)前一次數(shù)據(jù)采集結(jié)果。 從圖 4 可以看出逆流方向的信號(hào)在 E2 點(diǎn)發(fā)生了畸變， 程序在判定后剔除該點(diǎn)， E1、 E2 將不參加該次時(shí)差的計(jì)算， 因此時(shí)間差的

圖 4 超聲波換能器接收對(duì)方超聲波信號(hào)局部放大波形

計(jì)算不受波形畸變、 噪聲干擾的影響， 具有較高的測量精度。
 
6、系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果：
 在不同管徑、 不同流速環(huán)境下的檢測結(jié)果表明， 本文介紹的超聲波液體流量計(jì)具有較好的累積流量檢測精度，但在同一管徑、 不同流速檢測點(diǎn)所得到的累積流量存在一定的非線性， 需要在軟件上進(jìn)行非線性修正。

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