在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程中， 流量檢測已成為檢測技術(shù)的重要組成部分。 隨著工業(yè)日益飛速的發(fā)展、新能源的開發(fā)以及人類環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，如今流量測量不僅需要滿足生產(chǎn)過程的穩(wěn)定， 還得滿足高精度、低誤差、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制的標(biāo)準(zhǔn)，從而使生產(chǎn)及測量達(dá)到最優(yōu)化的要求。

為了符合實(shí)際現(xiàn)場需要及測量要求，人們根據(jù)不同的測量原理，發(fā)明了多種不同類型的液體流量計(jì)。 目前，由于超聲波液體流量計(jì)具有非接觸、檢測范圍廣、安裝簡單、便于維護(hù)、影響測量因素少、精度高、重復(fù)性好的特點(diǎn)，此類流量計(jì)在流量檢測領(lǐng)域正被廣泛應(yīng)用。 本文以單聲道液體流量計(jì)為研究對象， 設(shè)計(jì)了一款滿足工業(yè)要求的超聲波流量計(jì)。 樣機(jī)采用復(fù)雜邏輯可編輯器（CPLD），搭建高速、精準(zhǔn)的數(shù)字邏輯電路，完成聲波信號的發(fā)射與回波信號的接收， 不僅簡化了主板上復(fù)雜的硬件電路，而且也達(dá)到了測量精度高的要求。

1.超聲波流量計(jì)的工作原理

超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)采用時(shí)差法的工作原理，通過測量聲波正逆程傳播的時(shí)間差，進(jìn)一步求出流體通過管節(jié)的流量。

如圖 1 所示，在管段兩側(cè)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(fā)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(shí)的傳播速度為 c，流體的流速為 v。 流體中聲波從 A 發(fā)送到 B，稱為逆程發(fā)射，傳播時(shí)間為 t1；聲波從 B 發(fā)送到 A，稱為正程發(fā)射，傳播時(shí)間為 t2。

聲波在流體中的實(shí)際傳播速度 c0 等于流體流速 v 與聲速 c 的矢量和，即：

式中：v 為流體在管道內(nèi)的平均流速，與超聲波聲速無關(guān)，因此不會(huì)受到媒質(zhì)的種類、密度、壓力、溫度等因素的影響，從而提高了測量結(jié)果的精度。

2.超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

在超聲波流量計(jì)系統(tǒng)中，影響其測量精度及穩(wěn)定性的核心因素是系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。 經(jīng)過與當(dāng)前流量計(jì)的比較，和反復(fù)試驗(yàn)論證，設(shè)計(jì)了如圖 2 所示的超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 本系統(tǒng)主要由主控芯片 MCU 與邏輯控制芯片 CPLD 及外圍電路構(gòu)成。單片機(jī)完成 485 通信、液晶顯示、集電極（OCT）輸出及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算； 在 CPLD 芯片內(nèi)部， 通過Verilog 語言程序編寫 ，集成有多個(gè)高速 、精準(zhǔn)的數(shù)字邏輯控制電路， 包括超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)脈沖電路、 順逆流切換器、 分頻器、 及一些高速計(jì)數(shù)器。

CPLD 的使用不僅省去了許多復(fù)雜的硬件電路 ，而且還配合單片機(jī)測量出較高精度的時(shí)間差。 除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了模擬電路部分，包括驅(qū)動(dòng)信號的功率放大電路、發(fā)射與接收切換電路、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)（AGC）電路、濾波選頻電路、過零和過電壓比較電路。

2.2系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中， 換能器的載波頻率選為 1 MHz，發(fā)射信號采用低電壓多脈沖方式，經(jīng)CPLD 內(nèi)的脈沖發(fā)射器 ，同時(shí)產(chǎn)生 2 組相位相反的方波， 每組包含 10 個(gè) 1 MHz 的連續(xù)脈沖， 幅值為 3.3 V[5]。 為了能夠驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射連續(xù)、高質(zhì)量、衰減強(qiáng)度小的超聲波，設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換為電源電壓信號電平。 D+、D-和 U+、U-分別為驅(qū)動(dòng)正逆程發(fā)射的 TTL 電平脈沖信號，2組信號由 CPLD 輸出。 2 片驅(qū)動(dòng)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(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)，整個(gè)電路構(gòu)成 1 個(gè) BTL 放大電路。 由于換能器是容性負(fù)載，為了提高波形質(zhì)量，減小上升沿與下降沿的尖峰脈沖， 輸出端負(fù)載采用 8 個(gè) 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。

由于管道中流體的速度不是理想穩(wěn)定的，當(dāng)流速變化時(shí)，會(huì)造成回波信號幅度的變化，為了穩(wěn)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(jìn)行相應(yīng)控制， 以提高回波信號的質(zhì)量。 自動(dòng)增益控制電路如圖 5 所示，接收信號經(jīng)過初級放大后，進(jìn)入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)控制（AGC）功能塊。

AGC 功能塊由可控增益放大調(diào)節(jié)、 選頻濾波、包絡(luò)檢波、A/D 轉(zhuǎn)換、 單片機(jī)內(nèi)部增益運(yùn)算、D/A 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)組成。 每次自動(dòng)增益調(diào)節(jié)都需要將濾波后的接收信號進(jìn)行包絡(luò)檢波，經(jīng) A/D 采樣后，單片機(jī)讀取回波信號的最高幅值電壓，通過與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置的峰值電壓比較，并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后得出相應(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)。 在每次聲波發(fā)射和接收前，單片機(jī)都會(huì)根據(jù)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(jìn)行增益調(diào)節(jié)控制。由于 AGC 功能塊的作用， 保證了回波信號幅值在流速發(fā)生變化時(shí)的穩(wěn)定性。

2.3信號邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)

在回波信號接收時(shí)，通常會(huì)遇到各種噪聲和干擾，如果不對其進(jìn)行處理，會(huì)造成測量結(jié)果精度降低。 本超聲波流量計(jì)的精度等級要求為 1 級，由于流量計(jì)的精度與聲波傳播時(shí)間測量的精度息息相關(guān)，需要對回波信號的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，并對系統(tǒng)的時(shí)序邏輯進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)整體的邏輯控制時(shí)序如圖 6 所示，在聲波發(fā)射切換開關(guān)的控制下，正程與逆程的發(fā)射交替進(jìn)行， 互不影響。 換能器的驅(qū)動(dòng)信號為 10 個(gè)方波脈沖，在 CPLD 內(nèi)設(shè)置邏輯控制器，在每次測量前邏輯控制器發(fā)射 Begin 信號，觸發(fā)逆程驅(qū)動(dòng)信號的發(fā)射。為了避免回波接收完整，不疊波、錯(cuò)波，需要根據(jù)聲波傳播路程和流經(jīng)管道截面流量的范圍，計(jì)算聲波的傳播時(shí)間，從而預(yù)先設(shè)置各個(gè)時(shí)間參數(shù)。 每次測量，首次逆程發(fā)射時(shí)，打開計(jì)數(shù)器 KUP，進(jìn)行逆程計(jì)數(shù)。 同時(shí)，打開計(jì)數(shù)器 K2，待 K2 溢出時(shí)，經(jīng)歷的時(shí)間為 t0，進(jìn)行正程首次發(fā)射，并打開計(jì)數(shù)器 KDN。將回波的有效時(shí)間點(diǎn)到下一次發(fā)射的相隔時(shí)間分別記為t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1），為了提高每次測量結(jié)果的分辨率， 同時(shí)也為了避免增加不必要的功耗，經(jīng)過數(shù)次實(shí)驗(yàn)得出，正逆程發(fā)射次數(shù) N 為 100 次時(shí)效果最佳。

在正逆程回波接收時(shí)，需要進(jìn)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(jìn)行時(shí)間范圍的控制， 在回波最早到達(dá)時(shí)間的 0.6 倍處打開接收通道， 這樣可以防止發(fā)射脈沖帶來的干擾及其它干擾， 在回波最晚到達(dá)時(shí)間的 1.5 倍處關(guān)閉接收通道，通道打開的時(shí)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(shè)置門檻電壓為+1.2 V，當(dāng)檢測到高于+1.2 V 的電平信號時(shí)，認(rèn)為此信號有效，否則視為噪聲。 系統(tǒng)將過門檻電壓后的第一個(gè)過零時(shí)刻視為回波接收的有效點(diǎn)，CPLD會(huì)通過此點(diǎn)觸發(fā)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器 K1、K3 啟動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)K1、K3 溢出，累計(jì)時(shí)間經(jīng)過 t2i -1′和 t2i ′（i=1，2，3，… ，N-1）時(shí)，立即觸發(fā)下一次發(fā)射。 當(dāng)經(jīng)過 100 次測量后，CPLD 將計(jì)數(shù)器 KUP 和 KDN 的計(jì)數(shù)值分別存入數(shù)據(jù)緩存器中，等待單片機(jī)的讀取。 所以，根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)，令計(jì)數(shù)器 KUP 和 KDN 經(jīng)過的時(shí)間為 T1 和 T2，99則時(shí)間差 t=［（T1 -T2）-Σ（t2i′-t2i-1′）］/100。

i＝1

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)國家超聲波流量計(jì)檢定標(biāo)準(zhǔn)，檢測流量計(jì)的指標(biāo)主要有 3 個(gè)：相對示值誤差、檢定點(diǎn)示值誤差及重復(fù)性。 令 Qi 為管道中流體在不同檢定點(diǎn)時(shí)的流量，Qij為被檢表流量，Qij′為標(biāo)準(zhǔn)表流量， Eij 為第 i 檢定點(diǎn)第 j 次檢定時(shí)的相對示值誤差， Ei 為檢定點(diǎn)示值誤差，δi 為第 i 檢定點(diǎn)的重復(fù)性，待測參數(shù)的計(jì)算公式為

表 1 的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，此超聲波流量計(jì)在 DN250口徑下的示值誤差為-0.95%，重復(fù)性為 0.13%，精度等級能夠達(dá)到 1 級標(biāo)準(zhǔn)。 另外， 還對 DN80、DN100口徑進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能達(dá)到 1 級標(biāo)準(zhǔn)。 說明了此流量計(jì)的測量精度較高、性能良好，完全能夠滿足工業(yè)測量的要求。

4.結(jié)語

本文介紹了基于 CPLD 技術(shù)的超聲波流量計(jì)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用原理，針對超聲波流量計(jì)的精度問題，進(jìn)行深入研究。 通過采用自動(dòng)增益調(diào)節(jié)控制（AGC）電路，對回波信號的增益進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，避免了因流速變化或其它原因造成的回波信號幅值不穩(wěn)的問題。同時(shí)，采用 CPLD 搭建的數(shù)字邏輯時(shí)序電路，具有速度快、延遲性小、精確度高的優(yōu)勢。 此樣機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定檢驗(yàn)，精度等級可以達(dá)到 1 級水平，完全能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求，具有廣闊的市場前景。