超聲波流量計因其具有非接觸式測量、通用性好、分辨率高、安裝方便的優(yōu)點[1]。以時差法為基本測量原理的超聲波流量計需要準確知道發(fā)射端的信號發(fā)射時刻及接收端的信號到達時刻。傳統(tǒng)方法通常是選取接收信號的個過閾值點作為信號到達的標志[2]。但由于機械波的震蕩慣性, 測得的過閾值點總是滯后于超聲波信號到達的真正時間[3]。此外, 由于管道內(nèi)的溫度、壓力以及噪聲等因素干擾會導致接收信號發(fā)生衰減, 個過閾值點的位置也會產(chǎn)生變化, 從而使個過閾值點與超聲波發(fā)射時間間隔不是一個常量, ***終導致超聲波流量計的測量誤差[4]。

  為了準確確定接收端超聲波信號到達的時間, 降低噪聲信號的影響, 提出了相移鍵控調(diào)制檢測的方法。為了實現(xiàn)高精度的時間間隔測量, 本論文采用ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP22作為時間測量芯片, 主控芯片選用MSP430F448芯片。為了延長聲程, 提高測量精度, 管道設(shè)計采用U型法, 測量管段內(nèi)部加裝了反射裝置。換能器是超聲波流量計的核心, 它的特性對于整個測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能有很大的影響, 為了避免測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。超聲波流量計的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

  系統(tǒng)軟件要完成的工作有控制硬件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和結(jié)果顯示。軟件設(shè)計對象主要是單片機和TDC-GP22, 采用C語言作為編程語言。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, 因此在編程過程中也要考慮低功耗的要求, 本論文在軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中在確保系統(tǒng)能正常工作的前提下, 設(shè)置系統(tǒng)低功耗模式, 此外單片機外設(shè)對系統(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)閑置時要把它們?nèi)筷P(guān)閉。

  本系統(tǒng)的調(diào)試首先以模塊調(diào)試方法進行, 各項功能模塊調(diào)試通過后再進行聯(lián)合調(diào)試;采用該方法極大提高了問題的解決效率。

  本系統(tǒng)的整機測試由軟件程序和硬件電路結(jié)合來進行, 通過加載軟件程序代碼, 對硬件電路進行配置、輸出等操作, 在確保軟件代碼有效的情況下, 驗證系統(tǒng)硬件設(shè)計和功能實現(xiàn)是否有效。因此, 在確認硬件電路無誤后, 對流量測量系統(tǒng)進行***終驗證。

  本論文是研發(fā)設(shè)計一款基于時差法的單聲道超聲波流量計。論文在對國內(nèi)外超聲波流量計技術(shù)進行深入研究和調(diào)查的基礎(chǔ)上, 針對國內(nèi)產(chǎn)品存在的問題, 提出了一種全新的超聲波流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案, 方案包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、測量管段和超聲換能器四個部分。硬件系統(tǒng)采用TDC-GP22為高精度時間測量芯片, MSP430單片機為主控微處理器, 實現(xiàn)了電路簡單、高精度時間分辨率、低功耗和成本低的特點。本論文提出的相移鍵控設(shè)計方案, 經(jīng)整機檢驗, 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波的識別問題。