高精度超声波流量计的设计

　　0　引　言

　　非介入式超声波流量计安装简单、使用方便,测量时,只需将超声波换能器夹装在被测管道的外侧,即可测量管道内液体流量。由于测量时不扰动管道内流动的流体、无介质泄漏、无压力损失,对流体的腐蚀性和导电性也没有任何要求,因此,得到了广泛的应用。时差式超声波流量计,精确的测量超声波传播的时间是提高测量精度的关键,也是设计人员重点研究的问题。测量方法之一是在超声波发射及接收的时间内,启动高速计数器对高频脉冲信号源进行计数,由计数脉冲求得传播时间,再计算出液体流量。由此可知,提高计数频率是提高测量精度的关键措施。本文利用了现场可编程门阵列( field programmable gate array,FPGA)的可编程特性及很高的工作频率设计了高速计数模块,同时,采用一些其他的措施,达到了对液体流量的高精度测量目的。

　　1　测量原理

　　图1为时差式测量圆形管道流体流量的原理图[1]。换能器S1, S2以一定的间距安装在管道的一侧,成“V”字型,交替的发射和接收超声波,由于受流体流速的影响, S1沿顺流方向发射超声波传播到S2,与S2沿逆流方向发射超声波传播到S1的传播速度不同,因此, 2个传输信号之间产生了时间差,由此,可求得液体的流速,再乘以管道的截面积就可以计算出流量。

　　设液体沿管道轴向的速度是v,声波在静止液体中的传播速度为c,超声波顺流、逆流传播的速度分别为v1和v2,声波传播路径的长度为Lp,声波传播方向与管道轴线之间的夹角θ。则v1,2=c±v_·cosθ,此时,顺流、逆流传播的时间t1和t2为：

　　由于式(1)中c与流体的种类、温度、压力等一些物理参数有关,因此,为了消除它的影响,将式(1)变换得到流体的流速为：

　　由公式(2)可知,超声波正反向传送的时间t1, t2的测量精度直接影响着流速v的测量精度和测量范围。

　　2　系统结构和工作原理

　　测量系统的硬件结构如图2所示。超声波换能器S1,S2安装在管道的一侧,并对准管道中心。系统的硬件构成主要包括模拟和数字两大部分。

　　2.1　模拟部分

　　模拟部分主要由超声波发射、接收和开关控制电路等组成[2]。为了防止模拟和数字信号工作时相互干扰,将模拟部分独立制作在一块印刷电路板上。开关控制电路使S1, S22个换能器交替作接收和发射用。发射电路在窄脉冲的控制下,经驱动电路后产生高压脉冲。换能器中的压电晶片受发射脉冲的激励产生振动,发射超声波。接收换能器的晶片受超声波的振动,引起形变时转换成相应的电信号。尽管发射部分的电压比较高,但接收换能器接收到的电压幅值,粗管径为数百毫伏,细管径只有几毫伏。因此,接收模块需要对接收到的信号进行放大。放大电路由限幅电路、前置放大、带通滤波放大、程控放大、脉宽检测、过零比较等电路组成。发送和接收脉冲的2个前沿的差值即是超声波传输的时间。因为接收换能器接收到的是正弦波,其瞬时值和放大倍数有关,如果采用通常的幅度鉴别技术,形成接收脉冲,可能因为放大倍数的差异或干扰带来测量误差或误判。因此,本设计对收到的信号放大后先进行脉冲鉴宽,排除干扰,然后,进行过零比较提高测量精度。