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相位检测技术在时差法超声波流量计中的应用

发布时间:2018/07/23 17:55 点击量:

 为了解决小管径管道的流量测量问题,本论文提出了一种新的超声波流量计的设计方法。以时差法为基本测量原理,设计 了基于相移调制技术的时差法超声波流量计,相位检测技术被用来实现对接收信号的处理,接收信号到达时间不确定引起的测量误差 问题得到了解决。本论文中管道设计采用u型法。换能器性能对于相位检测有很大的影响。为了提高测量精度减少系统功耗,计时芯 片选用TDC-GP22,微控制器采用MSP430F448芯片。

一、引言

超声波流量计因其具有非接触式测量、通用性好、分辨 率高、安装方便的优点⑴。以时差法为基本测量原理的超声 波流量计需要准确知道发射端的信号发射时刻及接收端的信 号到达时刻。传统方法通常是选取接收信号的第一个过阈值 点作为信号到达的标志。但由于机械波的震荡惯性,测得 的过阈值点总是滞后于超声波信号到达的真正时间。此外, 由于管道内的温度、压力以及噪声等因素干扰会导致接收信 号发生衰减,第一个过阈值点的位置也会产生变化,从而使 第一个过阈值点与超声波发射时间间隔不是一个常量,最终 导致超声波流量计的测量误差。

二、方案

为了准确确定接收端超声波信号到达的时间,降低噪声 信号的影响,提出了相移键控调制检测的方法。为了实现高 精度的时间间隔测量,本论文采用ACAM公司生产的TDC- GP22作为时间测量芯片,主控芯片选用MSP430F448芯片。 为了延长声程,提高测量精度,管道设计采用U型法,测量 管段内部加装了反射装置。换能器是超声波流量计的核心, 它的特性对于整个测量系统的稳定性和性能有很大的影响, 为了避免测量误差要慎重选择系统换能器,本论文在20mm 管径管道条件下。超声波流量计的整体结构框架如图1所示。

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三、软件设计

系统软件要完成的工作有控制硬件系统实现数据的采集 并对采集到的数据进行处理和结果显示。软件设计对象主要 是单片机和TDC-GP22,采用C语言作为编程语言。系统软 件主要分为两部分:主程序模块和中断处理模块。系统硬件 是在软件系统的控制调配下工作的,因此在编程过程中也要 考虑低功耗的要求,本论文在软件系统设计过程中在确保系 统能正常工作的前提下,设置系统低功耗模式,此外单片机 外设对系统的功耗有很大影响例如LCD、锁相环等,为了降 低系统功耗这些外设闲置时要把它们全部关闭。

四、系统调试方法

本系统的调试首先以模块调试方法进行,各项功能模块 调试通过后再进行联合调试;采用该方法极大提高了问题的 解决效率。

本系统的整机测试由软件程序和硬件电路结合来进行, 通过加载软件程序代码,对硬件电路进行配置、输出等操作, 在确保软件代码有效的情况下,验证系统硬件设计和功能实 现是否有效。因此,在确认硬件电路无误后,对流量测量系 统进行最终验证。

五、总结

本论文是研发设计一款基于时差法的单声道超声波流量 计。论文在对国内外超声波流量计技术进 行深人研究和调查的基础上,针对国内产 品存在的问题,提出了一种全新的超声波 流量计的结构设计方案,方案包括硬件系 统、软件系统、测量管段和超声换能器四 个部分。硬件系统采用TDC-GP22为高精 度时间测量芯片,MSP430单片机为主控微 处理器,实现了电路简单、高精度时间分 辨率、低功耗和成本低的特点。本论文提 出的相移键控设计方案,经整机检验,可 以有效解决由于换能器以及反射板或管道 内壁上的沉积物和管道内的气泡引起的接 收信号第一波的识别问题。