便攜式時差法小管徑超聲波液體流量計廠家|原理
摘要: 為了實現小管徑、 小流量超聲波液體流量檢測, 研究了一種便攜式時差法小管徑超聲波液體流量計。 流量計以高速數據采集和互相關數據處理技術為基礎, 采用雙處理器結構完成信號采樣、 時差計算及人機交互, 解決了時差法小管徑超聲波液體流量檢測過程中波形畸變、 噪聲干擾、 時差測量、 探頭安裝等方面的問題。
圖 1 時間差法流量檢測原理
t ≈ 2LV / C2 | (4) |
由式 (4) 可知, 在超聲波換能器安裝距離 L 及液體類型已知的情況下, 可以由式 (5) 計算流速 V。
V ≈ t·C2 / (2L) | (5) |
3、系統結構原理:
本文介紹的便攜式時差法小管徑超聲波液體流量計的結構原理如圖 2 所示。
系統采用雙處理器結構, 處理器 MCU1 負責超聲波信號發射、 采集時序控制及順、 逆流傳播時間差計算, 處理器 MCU2 負責流速、 流量計算及修正, 并完成人機交互。
MCU1 和 MCU2 之間的數據交換通過共享數據區 ( 雙口RAM) 實現。
在 MCU1 的控制下, 時序控制電路接通超聲波發射電路 , 超聲波換能器 TR1、 TR2 同時發射超聲波脈沖, 經過
一 段時間后, TR1、 TR2 發射的超信號分別進入對方換能器 (TR1→TR2, TR2→TR1)。 在接通超聲波發射電路的同時, 時序控制電路啟動高速數據采集電路, 以 40MSPS 的采樣速率自動完成超聲波信號采集, 并將數據存放在 64kB的高速緩存中, 實時記錄下換能器 TR1、 TR2 上所出現的一切信號。 一次信號采集完成后, 數據被讀入 MCU1 進行分析處理, MCU1 將通過這些采集到的數據來完成時間差的計算。 MCU1 計算出的時間差通過共享數據區傳給MCU2, MCU2 依據時間差信息計算出流速、 流量及累積流量等, 并將它們通過 LCD 模塊顯示出來。
4、系統硬件組成:
4.1、超聲波信號高速數據采集電路:
超聲波高速采集電路包含兩路 ADC 通道, 分別記錄探頭 TR1、 探頭 TR2 上所出現的信號。 它由兩路半閃爍式高速 8 位模數轉換器 TLC5540、 64kB 數據緩存、 地址發生器、 采樣時鐘分頻器及時序控制器組成。 根據所用超聲波探 頭 的 不 同 , 可 以 選 擇 40MSPS、 20MSPS、 10MSPS、 5MSPS 及 2.5MSPS 的采樣頻率。 對于不同的測量管徑 , 采樣數據存儲深度可以選擇 32kB、 16kB、 8kB 及 4kB。
MCU1 在啟動數據采集的同時發射一次超聲波脈沖 。數據采集啟動后, 時序控制器將按所選的采樣頻率產生ADC 的讀出時序和數據緩存的寫入時序, 地址發生器產生數據緩存的地址序列, 實現兩路超聲波信號同時采集, 這一過程無需 MCU1 干預。 當存儲深度達到設定值時自動停止采樣, 并產生數據采集結束信號。 在信號采樣過程中,可以通過查詢數據采集電路狀態寄存器來判斷采樣過程是否結束。 采樣結束后, MCU1 通過一個外部端口讀取數據緩存中的采樣值, 地址發生器自動產生數據緩存的讀出地址序列, 使數據讀取按采樣數據寫入的順序進行。
數據采集電路實時記錄了探頭 TRA、 TRB 上超聲波發射及接收過程中所出現的一切信號。 通過對兩組超聲波采樣數據進行分析處理, 可以準確的定位回波首波, 判斷噪聲的干擾情況, 剔除質量差的信號, 避免回波首波出現缺陷或幅值太小對時間差測量可能帶來的影響, 并在此基礎上計算出時差 t。
4.2、共享數據區電路:
共享數據區是處理器 MCU1 和處理器 MCU2 進行數據交換的場所, 由雙口靜態存儲器 IDT7130 及相應的輔助電路構成, 它既是 MCU1 外部數據 存儲器的一部分, 也是 MCU2 外部數據存儲器的一部分。 共享數據區和雙處理器結構的采用大大提高了系統的響應速度, 實驗表明流量檢測結果的刷**新 率 不 小 于 60Hz, *** 高 可 達 到75Hz (檢測結果刷新率與信號質量成正比, 系統在進行時差計算前按一定的規則識別并剔除存在波形畸變或干擾嚴重的測量點, 以保證時差測量的準確性)。
IDT7130 是 1kB 雙口 SRAM, MCU1、 MCU2 可以通過兩組獨立的地址總線和數據總線對其內部的任何一個單元進行操作。 共享數據區采用 IDT7130 的中斷功能, 當MCU2 需 要 向 MCU1 傳 送 數 據 時 , 首 先 對 IDT7130 的 0x03FE 單元進行寫操作引起 MCU1 中斷, MCU1 在中斷后進行中斷清除操作, 這樣 MCU1 就可以從 IDT7130 中讀取MCU2 寫入的數據 。 MCU1 向 MCU2 傳送數據也采用類似的方式。 整個操作均是對外部擴展數據存儲器進行讀寫,操作簡單快捷, 數據傳送量大。
4.3 人機交互電路
人機交互電路包括小鍵盤和 LCD 顯示兩部分。 鍵盤用于運行參數的設定及功能菜單的選擇, LCD 顯示采用MCG12864 液晶模塊 , 用于顯示中文菜單 、 超聲波接收區波形、 流速、 流量、 累積流量、 信號強度、 逆流指示及日期、 時間等。
通過功能菜單, 用戶只需輸入管道的尺寸, 選擇管道材料及被測流體種類, 系統即可準確的測量各項參數。 特殊的 “探頭安裝向導” 功能可以引導用戶將探頭安裝在信號質量***好的位置, 此時 LCD 將為用戶顯示理論的安裝距離、 超聲波接收區波形、 超聲波接收區起始位置及信號強度, 一旦信號穩定即可進入流量測量, 極大簡化了測量操作。 對于信號幅度需要更改的場合, 通過調整 “探頭安裝向導” 菜單中 “信號增益控制” 可獲得理想的信號幅值。
系統設置了 128kB 的 FLASH 數據存儲器, 根據不同的測量需求, 可以按不小于 1s 的時間間隔儲存 12000 組測量數據。 通過 “數據上傳” 功能選項, 可隨時將數據上傳到具有 RS-232 串口的計算機, 或者通過 “數據打印 ” 選項, 將測量數據進行打印存檔。
5、系統軟件設計:
系統軟件包括鍵盤管理、 LCD 顯示、 數據通信、 時差測量、 流量處理與補償等部分。 鍵盤管理、 LCD 顯示、 數據通信都具有較強的通用性, 本文不再介紹, 下面主要對時差計算部分的軟件設計思想進行說明。 通過數據上傳端口得到的雙路超聲波信號如圖 3 和圖 4 所示, 其中圖 3 為探頭發射超聲波到接收對方探頭超聲波的整體波形, 圖 4為接收對方超聲波信號區域的放大波形。 整個波形的采樣長度為 4096 點, 對方探頭超聲波信號開始出現在第 2016個采樣點處, 測試所用超聲波探頭為 5P-K3-6×6 小徑管探頭。
時 差計算程序首先完成接收對方超聲波區域的搜索。
程序將按用戶輸入的回波搜索尺度 (探頭安裝向導中由用戶輸入) 找出發射始波區域以后滿足要求的數據區, 對于存在的干擾, 程序按照一定的規則加以剔除。 在判定該接收波形有效后, 程序轉入時差計算。 如圖 4 所示, 程序逐一計算點 A1、 A2, B1、 B2, C1、 C2, D1、 D2, E1、 E2之間的時差, 在確定不存在波形畸變后程序選取 A1 至 E1數據區間的順、 逆流數據進行互相關處理計算出順逆流時間差, 否則丟棄當前一次數據采集結果。 從圖 4 可以看出逆流方向的信號在 E2 點發生了畸變, 程序在判定后剔除該點, E1、 E2 將不參加該次時差的計算, 因此時間差的
圖 4 超聲波換能器接收對方超聲波信號局部放大波形
計算不受波形畸變、 噪聲干擾的影響, 具有較高的測量精度。
6、系統試驗結果:
在不同管徑、 不同流速環境下的檢測結果表明, 本文介紹的超聲波液體流量計具有較好的累積流量檢測精度,但在同一管徑、 不同流速檢測點所得到的累積流量存在一定的非線性, 需要在軟件上進行非線性修正。
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