CPLD技术在时差法超声波流量计中的应用

　　1 概述

　　时差法超声波流量计由于精度高，换能器结构简单，不影响流体流动形态而被广泛应用。本设计中的超声波流量计是一套由计算机控制的多通道时差法超声波流量测量系统，可用于测量多个通道液体流速、瞬时流量和累计流量。设计中采用了ALTERA 公司生产的大规模复杂可编程逻辑器件(CPLD)：MAX7000S 系列 EPM7128S。为了提高测量精度和稳定性，利用CPLD 大规模复杂可编程特点，在逻辑电路中设计了发射波抑制电路、激励脉宽可电调整电路和数字倍频计数器电路。发射波抑制电路有效地抑制了发射激励波的干扰;激励脉宽可电调整电路能够方便地适配不同特性探头对激励脉宽的要求;数字倍频计数器电路提高了计时精度。由于CPLD高速、高稳定性、高可靠性和现场可编程的特点，大大提高了超声波流量计测量系统的精度和可靠性。

　　主机使用新型高性能、低功耗、RISC 结构、内载FLASH 的AVR 单片机AT90S8515。8515 带有一个全双工的通用串行异步收发器，可方便的与多台仪表进行通讯，从而实现分布式测量系统。EPM7128S 内部还设计有 AT90S8515 的外扩总线、译码电路和输入输出等接口。8515 以外扩 RAM的访问形式操作 EPM7128S内部所有资源，进行通道切换、控制采样过程、读取键盘等操作。实现的主要功能有：测量 8 个通道的流速、瞬时流量、累计流量，显示出错报警等信息。

　　2 时差法超声波流量计的测量原理和影响测量精度的因素分析

　　2.1 时差法超声波流量计的测量原理

　　超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此，可以实现流量测量。超声波的发射和接收采用双探头方式，发射和接收传感器的材料和结构完全相同，可以互换使用或进行双向收发。结构原理图见图1。由于篇幅有限，有关公式推导见参考文献1，这里只给出结论。

　　其中，C 为声速，ΔT 为顺逆流传播时间差，β为声路角，L为声程。需要特别说明的是，V 是液体沿管道中心线的速度。考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布，添加一个修正系数K。根据流体力学，当雷诺数 Re 在某一范围内时，K为定值，在标定过程中确定K的大小。

　　瞬时流量:

　　如果已经知道了L、C、D 和 β，只要能够测得顺流和逆流传播时间差(ΔT)就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。

　　2.2 影响流量计测量精度的因素和解决方法

　　精度是测量仪表的重要指标，在时差法超声波流量计流量测量中，误差来源主要来自以下几方面：

　　⑴ 加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。声路角β、管道直径D、声程 L 等机械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。在测量过程中，它们会随着温度的变化而变化。这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计使影响减到最小。