為了解決小管徑管道的流量測(cè)量問(wèn)題，本論文提出了一種新的超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法。以時(shí)差法為基本測(cè)量原理，設(shè)計(jì) 了基于相移調(diào)制技術(shù)的時(shí)差法超聲波流量計(jì)，相位檢測(cè)技術(shù)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的處理，接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間不確定引起的測(cè)量誤差 問(wèn)題得到了解決。本論文中管道設(shè)計(jì)采用u型法。換能器性能對(duì)于相位檢測(cè)有很大的影響。為了提高測(cè)量精度減少系統(tǒng)功耗，計(jì)時(shí)芯 片選用TDC-GP22，微控制器采用MSP430F448芯片。

一、引言

超聲波流量計(jì)因其具有非接觸式測(cè)量、通用性好、分辨 率高、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)⑴。以時(shí)差法為基本測(cè)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(hào)發(fā)射時(shí)刻及接收端的信 號(hào)到達(dá)時(shí)刻。傳統(tǒng)方法通常是選取接收信號(hào)的第一個(gè)過(guò)閾值 點(diǎn)作為信號(hào)到達(dá)的標(biāo)志。但由于機(jī)械波的震蕩慣性，測(cè)得 的過(guò)閾值點(diǎn)總是滯后于超聲波信號(hào)到達(dá)的真正時(shí)間。此外， 由于管道內(nèi)的溫度、壓力以及噪聲等因素干擾會(huì)導(dǎo)致接收信 號(hào)發(fā)生衰減，第一個(gè)過(guò)閾值點(diǎn)的位置也會(huì)產(chǎn)生變化，從而使 第一個(gè)過(guò)閾值點(diǎn)與超聲波發(fā)射時(shí)間間隔不是一個(gè)常量，最終 導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的測(cè)量誤差。

二、方案

為了準(zhǔn)確確定接收端超聲波信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，降低噪聲 信號(hào)的影響，提出了相移鍵控調(diào)制檢測(cè)的方法。為了實(shí)現(xiàn)高 精度的時(shí)間間隔測(cè)量，本論文采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC- GP22作為時(shí)間測(cè)量芯片，主控芯片選用MSP430F448芯片。 為了延長(zhǎng)聲程，提高測(cè)量精度，管道設(shè)計(jì)采用U型法，測(cè)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(duì)于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響， 為了避免測(cè)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。

三、軟件設(shè)計(jì)

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(duì)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(duì)象主要 是單片機(jī)和TDC-GP22，采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)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(guò)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(guò)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(duì)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。

四、系統(tǒng)調(diào)試方法

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(guò)后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試；采用該方法極大提高了問(wèn)題的 解決效率。

本系統(tǒng)的整機(jī)測(cè)試由軟件程序和硬件電路結(jié)合來(lái)進(jìn)行， 通過(guò)加載軟件程序代碼，對(duì)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(wú)誤后，對(duì)流量測(cè)量系 統(tǒng)進(jìn)行最終驗(yàn)證。

五、總結(jié)

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(duì)國(guó)內(nèi)外超聲波流量計(jì)技術(shù)進(jìn) 行深人研究和調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn) 品存在的問(wèn)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(cè)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(cè)量芯片，MSP430單片機(jī)為主控微 處理器，實(shí)現(xiàn)了電路簡(jiǎn)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(hào)第一波的識(shí)別問(wèn)題。