1 概述

时差法超声波流量计由于精度高，换能器结构简单，不影响流体流动形态而被广泛应用。本设计中的超声波流量计是一套由计算机控制的多通道时差法超声波流量测量系统，可用于测量多个通道液体流速、瞬时流量和累计流量。

设计中采用了ALTERA 公司生产的大规模复杂可编程逻辑器件（CPLD）：MAX7000S系列EPM7128S。为了提高测量精度和稳定性，利用CPLD 大规模复杂可编程特点，在逻辑电路中设计了发射波抑制电路、激励脉宽可电调整电路和数字倍频计数器电路。发射波抑制电路有效地抑制了发射激励波的干扰；激励脉宽可电调整电路能够方便地适配不同特性探头对激励脉宽的要求；数字倍频计数器电路提高了计时精度。由于CPLD 高速、高稳定性、高可靠性和现场可编程的特点，大大提高了超声波流量计测量系统的精度和可靠性。

主机使用新型高性能、低功耗、RISC 结构、内载FLASH 的AVR 单片机AT90S8515。8515 带有一个全双工的通用串行异步收发器，可方便的与多台仪表进行通讯，从而实现分布式测量系统。

EPM7128S 内部还设计有AT90S8515 的外扩总线、译码电路和输入输出等接口。8515以外扩RAM 的访问形式操作EPM7128S 内部所有资源，进行通道切换、控制采样过程、读取键盘等操作。

实现的主要功能有：测量8 个通道的流速、瞬时流量、累计流量，显示出错报警等信息。

2 时差法超声波流量计的测量原理和影响测量精度的因素分析

2.1 时差法超声波流量计的测量原理

超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此，可以实现流量测量。超声波的发射和接收采用双探头方式，发射和接收传感器的材料和结构完全相同，可以互换使用或进行双向收发。结构原理图见图1。

由于篇幅有限，有关公式推导见参考文献1，这里只给出结论。

其中，C 为声速， ΔT 为顺逆流传播时间差， β 为声路角，L 为声程。

需要特别说明的是，V 是液体沿管道中心线的速度。考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布，添加一个修正系数K。根据流体力学，当雷诺数Re 在某一范围内时，K 为定值，在标定过程中确定K 的大小。

瞬时流量（D 为管道直径） (1)

如果已经知道了L、C、D 和β ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差（ ΔT ）就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。

2.2 影响流量计测量精度的因素和解决方法1

精度是测量仪表的重要指标，在时差法超声波流量计流量测量中，误差来源主要来自以下几方面：

• 加工精度及温度变化对机械尺寸的影响。

  声路角β 、管道直径D、声程L 等机械参数的加工精度、温度稳定性对流量的测量有直接的影响。在测量过程中，它们会随着温度的变化而变化。这种误差可以通过精密加工，合理选材以及合理的结构设计使影响减到最小。

• 温度变化对流速的影响。

  超声波的传播速度随流体的温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿。

• 电气特性上的误差。

  器件工作不稳定、计数电路精度低会给流量测量带来误差。为了减小该误差，我们选用100MHz、高精度、高稳定性的石英晶体振荡器作为时钟基准信号，选用大规模高速可编程逻辑器件(CPLD)来实现复杂的逻辑控制和高精度计时功能，以达到系统的稳定性和可靠性。

• 回波波形变化和幅值变化带来误差

  该变化会使二值化电路的计时比较点发生变化，造成波形误差。这种误差用硬件方法很难克服，必须借助于软件方法引入智能分析算法加以解决。

3 系统硬件组成

超声波流量计测量系统原理框图如图2 所示。

图 2 超声波流量计原理框图

3.1 流量计主机硬件设计

在设计中，微处理器采用ATMEL 公司高性能AVR 单片机AT90S8515，芯片内可下载的FLASH 存储器可通过SPI串行接口对程序存储器进行系统内的重新编程。主要功能如下：

⑴人机接口：系统参数设置和存贮，液体流速、瞬时流量和累计流量显示，出错报警。

⑵通讯接口：利用RS485 通讯接口与上位机通讯。例如：修改参数、回传测量值、监控工作状态等。RS485 接口可与PC 计算机实现点对多点通讯，组成多达8×128 点的流量测量系统。

3.2 功能电路设计

⑴ 超声波换能器：采用双探头完成超声波信号的发送与接收。探头频率为2.5MHz。

⑵ 通道切换电路：8 路电磁继电器实现通道选择，实现指定通道或循环各通道采样。

⑶ 方向切换电路：利用一个电磁继电器切换传感器方向，实现顺流和逆流时间测量。

⑷ D/A 电压调节有三个作用：

(a) 调节高压，产生400～600V 的激励电压调节范围，用来形成发射电路所需发射功率。

(b) 调节放大电路增益，实现信号的增益控制。增益调整范围：10～30dB。

(c) 调节二值化电路的参考端输入电压。使之与放大后的回波信号相比较。

⑸ 8 个独立式键盘可以进行功能选择、参数设置、通道切换、显示切换等操作。

⑹ 显示器采用LED 显示。可显示液体流速、瞬时流量、累计流量及报警等信息。

⑺ CPLD 实现在单片机的控制下的超声波激励、计时测量以及与单片机接口。

3.3 超声波信号处理电路

超声波信号处理包括放大电路、滤波电路、二值化电路。放大器采用高频、可电压调整增益运算放大器AD603，滤波电路采用高Q 值滤波器，提高了信噪比。二值化电路采用高速比较器MAX909。通过放大以后的超声波回波信号经过滤波，进入二值化电路，产生回波脉冲信号，送入CPLD，进行时间测量的控制。

4 流量计软件设计

软件设计包括主程序设计、通讯程序设计和中断程序设计等。

主程序设计的内容有流量计的键盘输入、显示输出、数据处理、测量控制、参数处理、参数存储等。通过这些工作，可以实现定点及循环采样。

通讯程序采用中断、半双工通讯方式，可以实现上、下位机之间的点对多点通讯。中断程序有定时中断、外部INT0 中断。

5 CPLD 时序控制逻辑电路原理设计

CPLD 是新型可编程逻辑器件。其编译环境是MAX+PLUS Ⅱ。在本设计中，我们采用的具体型号是MAX7000S 系列器件EPM7128SLC84-15。

⑴ 计时电路的精度

本设计中的流体流速小于10m/s，声程按照300mm 计算，声速为1500m/s，通过公式可以算出最大传播时间差大约为2 us 左右。在CPLD 内设计有倍频电路，计数时钟频率选100MHz，因而得到相当于200MHz 的计数频率，分辨率达到1/400，满足设计精度要求 。由前述公式可知，时差ΔT 随声程L 增加而增大，因而分辨率也会增加，但传感器尺寸随之增加。L 要根据实际需要确定。

⑵ 计时电路的设计

CPLD 的工作原理图如图3 所示，各部分电路功能：

(a) 74373 为地址锁存器，锁存CPU 低八位地址信号A0-A7。74138 译码器对A0-A2进行译码，产生Y0-Y7 片选信号，控制对I/O 口的操作。

(b) 74273 产生触发器控制逻辑信号Z0-Z4 及传感器方向切换信号Z5。CPU 在Y0 有效时写入。

(c) SK0-SK7 为8 个独立键信号输入，在Y2 有效时读入CPU。

(d) 通道选择信号SEL0-SEL7 由CPU 在Y1 有效时发出。

(e) 发射波抑制电路在发射波期间禁止回波信号通过，抑制发射波干扰，防止误触发。

(f) 脉冲宽度发生器的功能是产生一定宽度的脉冲信号SA。其脉冲宽度可以通过Z3…Z0 的不同设置选择。当FOSC=100MHz， Z3…Z0＝00H 时，脉宽最小，为0.2 us; Z3…Z0=0FFH 时，脉宽最大是2.45us。共有十六种选择。

Z4 是采样启动/停止/清零控制信号。Z4＝0 停止计数，并清零计数器为下次采样做准备。

这里，探头频率为2.5MHz，脉宽取其周期的整数倍2，则Tsa=0.8 us ,所以Z3…Z0=04H，得脉宽=0.8 us。

(g) 两个16 位计数器组成高精度计数器，保证在时钟的上升沿和下降沿全部计数。

Z4 是清零信号，当Z4 为低时，脉冲宽度发生器Z4 信号有效，SA=0。计数器qf2-16输出为00H。发射波抑制电路输出为零。当Z4 刚开始变为高电平时，SA=1，发出一定宽度激励脉冲，产生超声波。此时， FQ12 为低，因此或门被禁止，激励波信号B909 不能通过或门。INT0 保持高电平，计数器正常计数。CLK-EN 是计数使能信号，高电平有效。当二值化电路测到回波信号时使B909 负跳变，D 触发器清零，其Q 端INT0 跳变为低电平。产生外部中断的同时，计数使能信号CLK-EN 变低，计数器qf2-16 停止计数。qf2-16 的Q 端是CLK 上升沿计数输出值，NQ 端是CLK 下降沿计数输出值，由74244 送到主机相加求和。从而实现倍频计数。

(h) 四个74244 在Y3、Y4、Y5、Y6 分别有效时，将计数值读入CPU。

⑶ 信号波形图如图4 所示。

如图所示，△t1 为发射波抑制电路作用时间，△t2 是发射波产生的干扰时间。t2-t0 是传播时间。t2-t0 是传播时间。

6 结论

该超声波流量计是为高炉冷却壁热负荷测量设计的，它与高炉炉墙厚度测量装置、冷却壁进出水温差测量装置共同组成一套完整的高炉炉墙厚度测量与冷却壁监测系统，可测量冷却壁热负荷以及检漏。现场应用证明，该流量计精度高、运行稳定、可靠、达到设计要求。

参考文献：

⒈ 徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 北京航空航天大学出版社 1995.11

⒉ 强发红，毛协柱 时差法超声波流量计的应用技术 石油化工自动化 2001.1

⒊ 宋万杰，罗丰，吴顺君 CPLD技术及其应用 西安电子科技大学出版社 2000.6