相位檢測技術在時差法超聲波流量計中的應用
摘要：為了解決小管徑管道的流量測量問題, 本論文提出了一種新的超聲波流量計的設計方法。以時差法為基本測量原理, 設計了基于相移調制技術的時差法超聲波流量計, 相位檢測技術被用來實現對接收信號的處理, 接收信號到達時間不確定引起的測量誤差問題得到了解決。本論文中管道設計采用U型法。換能器性能對于相位檢測有很大的影響。為了提高測量精度減少系統功耗, 計時芯片選用TDC-GP22, 微控制器采用MSP430F448芯片。
一、引言：
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射端的信號發射時刻及接收端的信號到達時刻。傳統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, 由于管道內的溫度、壓力以及噪聲等因素干擾會導致接收信號發生衰減, 個過閾值點的位置也會產生變化, 從而使個過閾值點與超聲波發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]。
二、方案：
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, 提出了相移鍵控調制檢測的方法。為了實現高精度的時間間隔測量, 本論文采用ACAM公司生產的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, 管道設計采用U型法, 測量管段內部加裝了反射裝置。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的穩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構框架如圖1所示。
圖1 超聲波流量計整體設計
三、軟件設計：
系統軟件要完成的工作有控制硬件系統實現數據的采集并對采集到的數據進行處理和結果顯示。軟件設計對象主要是單片機和TDC-GP22, 采用C語言作為編程語言。系統軟件主要分為兩部分:主程序模塊和中斷處理模塊。系統硬件是在軟件系統的控制調配下工作的, 因此在編程過程中也要考慮低功耗的要求, 本論文在軟件系統設計過程中在確保系統能正常工作的前提下, 設置系統低功耗模式, 此外單片機外設對系統的功耗有很大影響例如LCD、鎖相環等, 為了降低系統功耗這些外設閑置時要把它們全部關閉。
四、系統調試方法：
本系統的調試首先以模塊調試方法進行, 各項功能模塊調試通過后再進行聯合調試;采用該方法極大提高了問題的解決效率。
本系統的整機測試由軟件程序和硬件電路結合來進行, 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, 驗證系統硬件設計和功能實現是否有效。因此, 在確認硬件電路無誤后, 對流量測量系統進行***終驗證。
五、總結：
本論文是研發設計一款基于時差法的單聲道超聲波流量計。論文在對國內外超聲波流量計技術進行深入研究和調查的基礎上, 針對國內產品存在的問題, 提出了一種全新的超聲波流量計的結構設計方案, 方案包括硬件系統、軟件系統、測量管段和超聲換能器四個部分。硬件系統采用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計方案, 經整機檢驗, 可以有效解決由于換能器以及反射板或管道內壁上的沉積物和管道內的氣泡引起的接收信號波的識別問題。