相位检测技术在时差法超声波流量计中的应用

摘要：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。

  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[1]。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个过阈值点作为信号到达的标志[2]。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[3]。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, 个过阈值点的位置也会产生变化, 从而使个过阈值点与超声波发射时间间隔不是一个常量, ***终导致超声波流量计的测量误差[4]。

  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。

图1 超声波流量计整体设计

  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。

  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***终验证。

  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入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波的识别问题。