基于TDC1000和TDC7200的高精度液體流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

董 萱，李 軒，張 佩

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

1 引 言

在人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，有大量場(chǎng)合需要對(duì)各種液體的流速與流量做出測(cè)量，如自來(lái)水廠的流量測(cè)量與流速控制，石油井下注水系統(tǒng)對(duì)注入水量和流速的精確測(cè)量等。超聲測(cè)量在其中是不可缺少的有力手段。在眾多的超聲波測(cè)量算法中，基于時(shí)差法的測(cè)量算法是最為精確的[1]。由于超聲波傳播速度很快，順逆流的時(shí)間差較小，所以需要設(shè)計(jì)一種擁有高時(shí)間分辨率的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間差的精確測(cè)量[2]，同時(shí)解決由于超聲波多徑傳播對(duì)時(shí)差測(cè)量造成干擾的問(wèn)題。

為獲得精確而穩(wěn)定的時(shí)間差，選擇使用TI 公司最新推出的超聲波測(cè)量芯片組。芯片組采用TDC1000 和TDC720 這兩款芯片，分別用作超聲波測(cè)量的模擬前端（AFE）和時(shí)差測(cè)量。采用STM32F405 微控制器作為系統(tǒng)的主控制器，來(lái)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該測(cè)量系統(tǒng)以微控制器（MCU）作為控制和計(jì)算核心，由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源模塊、MCU 最小系統(tǒng)、超聲波控制與測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、CAN總線模塊以及數(shù)據(jù)顯示與控制終端。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

在系統(tǒng)中，微控制器選用的是STM32F405。該微控制器在工業(yè)控制中廣泛使用[3]。超聲波控制與測(cè)量模塊作為系統(tǒng)的核心，采用TI 推出的全新超聲波測(cè)量芯片組：TDC7200 和TDC1000。其中TDC1000是專(zhuān)門(mén)用于超聲波測(cè)量的模擬前端；TDC7200 是用于高精度測(cè)量時(shí)間差的芯片，其精度可達(dá)55ps。STM32F405 通過(guò)SPI 總線與TDC7200、TDC1000 進(jìn)行通信，完成配置、測(cè)量等的任務(wù)。在測(cè)量系統(tǒng)中可能需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，高精度溫度測(cè)量方案顯然非常必要，故采用基于MAX31865 的溫度測(cè)量方案。該芯片與微控制器也是通過(guò)SPI 接口進(jìn)行通信的。

考慮到在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)通常和數(shù)據(jù)顯示及控制終端是不在一起的，且相距一般較遠(yuǎn)，因此測(cè)試系統(tǒng)使用CAN 總線來(lái)連接數(shù)據(jù)顯示與控制終端[4]。微控制器通過(guò)UART 來(lái)與CAN 總線模塊進(jìn)行通信；CAN 模塊把UART 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)顯示與控制終端，以完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示和控制命令的傳輸。數(shù)據(jù)顯示與控制終端初步設(shè)計(jì)為基于Windows 系統(tǒng)的上位機(jī)程序，電腦通過(guò)CAN 轉(zhuǎn)USB 模塊來(lái)讀取和發(fā)送CAN 總線數(shù)據(jù)，完成和測(cè)量系統(tǒng)的交互。

由于該系統(tǒng)涉及到多個(gè)物理量的測(cè)量，考慮到系統(tǒng)的魯棒性，采用狀態(tài)機(jī)來(lái)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的軟件進(jìn)行構(gòu)建與設(shè)計(jì)。

2.2 流速測(cè)量算法

系統(tǒng)采用時(shí)差法測(cè)量流速。時(shí)差法是通過(guò)超聲波換能器發(fā)射的超聲波在順流和逆流中傳播的時(shí)間差來(lái)間接測(cè)得流體的流速。系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[5]中的Z型安裝方式進(jìn)行測(cè)量，其原理示意圖如圖2。

圖2 液體流量測(cè)量示意圖

在管道的兩側(cè)安裝有兩個(gè)超聲波換能器。兩換能器與管道不是垂直安裝，超聲波信號(hào)在換能器間的傳播路徑就是聲道。與之相關(guān)的原理公式如下：

式中，D 為管道直徑；α 為聲道與管道軸線的夾角，也是換能器與管壁的夾角；L 為聲道長(zhǎng)度。超聲波實(shí)際的傳播速度是聲速和流體軸向平均流速的疊加，因此順、逆流的傳播時(shí)間可以表述為：

式中，V 為管道中流體的傳播速度；C 為超聲波在靜止被測(cè)流體中的流速；TBA為順流時(shí)的傳播時(shí)間；TAB為逆流時(shí)的傳播時(shí)間，因此得出流體流速V 的值：

式中，V 為流體的傳播速度。I 為超聲波換能器在管道方向上的距離，可通過(guò)直接測(cè)量得出。

2.3 流量測(cè)量算法

在得到液體的流速后，將其乘以管道（圓形）的截面積便可得出瞬時(shí)流量體積：

S 為管道的橫截面積，D 為管道的直徑，V 為測(cè)出的流速，Qt為瞬時(shí)流量體積。設(shè)計(jì)中暫不考慮在聲道方向上流體速度不均勻的情況，因此并不對(duì)該流速值進(jìn)行修正。后續(xù)研究中對(duì)流速加以修正，應(yīng)能進(jìn)一步提高精度。

在得到瞬時(shí)流量體積后，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，便可得出流量的值。由測(cè)量得到的瞬時(shí)流量體積值為離散值，因此要采用積分的數(shù)值計(jì)算算法。系統(tǒng)采用辛普森積分算法，積分計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)對(duì)瞬時(shí)流量的數(shù)值積分， 最后可得出流量Q 的值。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)量模塊是測(cè)量系統(tǒng)的核心，其組成框圖如圖3 所示。

圖3 超聲波測(cè)量模塊框圖

TDC1000 負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)超聲波信號(hào)發(fā)送，以及處理信號(hào)接收[6]。TDC1000 和TDC7200 間的連接信號(hào)為：開(kāi)始信號(hào)START、停止信號(hào)STOP、觸發(fā)信號(hào)TRIGGER。TRIGGER 信號(hào)由TDC7200 控制發(fā)送。在接收到TRIGGER 信號(hào)后，TDC1000 產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并同時(shí)向TDC7200 發(fā)送START 信號(hào)；在接收到超聲波信號(hào)后，TDC1000 產(chǎn)生STOP 信號(hào)并把該信號(hào)發(fā)送給TDC7200，完成一次測(cè)量。

TDC7200 用來(lái)完成對(duì)時(shí)間差的精確測(cè)量。數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的測(cè)量精度為55 ps，該精度可以完成絕大多數(shù)情況下的超聲波測(cè)量任務(wù)，測(cè)量精度遠(yuǎn)高于其他方案。該芯片完成對(duì)上述START 信號(hào)和STOP信號(hào)的時(shí)間間隔（即超聲波傳播時(shí)間）的測(cè)量。

微控制器通過(guò)SPI 來(lái)對(duì)TDC1000 和TDC7200進(jìn)行配置，并且通過(guò)SPI 來(lái)對(duì)TDC7200 的時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。因此在該模塊中，微控制器是SPI 的主機(jī)，而TDC1000 和TDC7200 是從機(jī)。為了減少器件數(shù)量，TDC1000、TDC7200 和微控制器STM32 都使用同一個(gè)時(shí)鐘源，即8MHz 的晶振。

由于采用的是TI 最新的超聲波測(cè)量集成芯片組，因此外圍電路比較簡(jiǎn)單，電路整體比較緊湊。超聲波測(cè)量模塊的電路原理圖如圖4。圖中的接口SP_A 和SP_B 是超聲波換能器的接口。在本系統(tǒng)中采用定制的陶瓷超聲波換能器，可以滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)的性能要求[7]。

圖4 超聲波測(cè)量模塊電路原理圖

TDC1000 為雙通道的超聲波測(cè)量模擬前端，可以很方便地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中的順、逆流流速測(cè)量[8-9]。超聲波換能器A 的信號(hào)端同時(shí)連接超聲波通道1的發(fā)送和通道2 的接收；超聲波換能器B 的信號(hào)端同時(shí)連接超聲波通道2 的發(fā)送和通道1 的接收。

3.2 微控制器及電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司STM32F405系列。STM32 系列微控制器是當(dāng)前工業(yè)電子領(lǐng)域最受歡迎的微控制器之一，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中大量使用。STM32 系列芯片具有很好的升級(jí)替代特性，無(wú)需對(duì)電路進(jìn)行改變，即可更換不同的STM32 系列微控制器；STM32F4 系列的微控制器具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可以實(shí)現(xiàn)快速浮點(diǎn)運(yùn)算，比較適合具有數(shù)據(jù)計(jì)算且要求高速的領(lǐng)域。采用該系列微控制器，也是考慮到未來(lái)功能的添加以及潛在的大量的數(shù)據(jù)計(jì)算。微控制器的最小系統(tǒng)原理圖如圖5。

圖5 微控制器原理圖

系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，是以7.4 V 的鋰電池組進(jìn)行供電。電源的電壓包括3.3 V 和5 V 兩種，因此電源電路包括兩路DC-DC。本系統(tǒng)采用的DCDC 芯片為ASM1117。通過(guò)兩個(gè)ASM1117 芯片來(lái)獲得穩(wěn)定的5 V 和3.3 V 電源。

3.3 CAN 總線模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)顯示與控制終端和測(cè)量系統(tǒng)可能不在同一個(gè)地方，因此考慮采用CAN 總線來(lái)連接測(cè)量系統(tǒng)和終端系統(tǒng)。由于微控制器可以很方便地使用UART 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此考慮使用UART 轉(zhuǎn)CAN 的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。CAN 總線模塊電路原理圖如圖6。

該模塊采用TJA1059 芯片。此芯片是NXP 公司推出的高速CAN 總線數(shù)據(jù)收發(fā)器，具有卓越的EMC 和ESD 特性，能夠適用于有著復(fù)雜電磁環(huán)境的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；同時(shí)該芯片還具有無(wú)需阻塞電感、功耗超低等特點(diǎn)，完美貼合工業(yè)應(yīng)用。

圖6 CAN 總線模塊原理圖

在電路設(shè)計(jì)中，保留了端接電阻的焊接位置，若通信距離比較短，該端接電阻可以不進(jìn)行焊接；若通信距離較遠(yuǎn)，可根據(jù)所用電纜的特性阻抗來(lái)焊接該電阻。本系統(tǒng)采用雙絞線，其特性阻抗為120 Ω，因此在距離較長(zhǎng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作時(shí)，可以焊接120 Ω 的電阻。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 整體程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體程序采用狀態(tài)機(jī)來(lái)對(duì)不同的功能和流程進(jìn)行構(gòu)建和組織。本系統(tǒng)共含有以下幾個(gè)狀態(tài)：故障狀態(tài)、系統(tǒng)初始化、流速測(cè)量狀態(tài)、流量測(cè)量狀態(tài)、空閑狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換示意圖如圖7。

圖7 系統(tǒng)整體狀態(tài)轉(zhuǎn)換

程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)TDC7200 和TDC1000的配置、MAX31865 的配置、微控制器串口的配置以及系統(tǒng)定時(shí)器的配置等。若配置正常完成則進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待上位機(jī)的測(cè)量指令；若配置失敗，則進(jìn)入故障狀態(tài)，發(fā)送故障信號(hào)并等待上位機(jī)的指令。

空閑狀態(tài)是正常初始化后進(jìn)入的第一個(gè)狀態(tài)，也是進(jìn)入其他測(cè)量狀態(tài)的基礎(chǔ)。在空閑狀態(tài)中，測(cè)量系統(tǒng)并未進(jìn)行任何測(cè)量操作，只是等待上位機(jī)發(fā)來(lái)相應(yīng)的測(cè)量指令。上位機(jī)發(fā)來(lái)流速測(cè)量指令，則進(jìn)入流速測(cè)量狀態(tài)；上位機(jī)發(fā)來(lái)流量測(cè)量指令則進(jìn)入流量測(cè)量狀態(tài)。在進(jìn)入到相應(yīng)的測(cè)量狀態(tài)后，除非上位機(jī)發(fā)來(lái)退出指令，否則不會(huì)進(jìn)入到空閑狀態(tài)。

流速測(cè)量狀態(tài)和流量測(cè)量狀態(tài)相似，只是測(cè)量和計(jì)算的量不同而已。在進(jìn)入這兩個(gè)狀態(tài)后，會(huì)不停地對(duì)液體進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。在測(cè)量中出現(xiàn)故障，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入故障狀態(tài)；在上位機(jī)發(fā)來(lái)退出指令后，會(huì)由相應(yīng)的測(cè)量狀態(tài)進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待新的指令。

故障狀態(tài)是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)進(jìn)入的。在故障狀態(tài)中會(huì)對(duì)故障發(fā)生的一些信息進(jìn)行上傳來(lái)告知上位機(jī)軟件，使上位機(jī)故障顯示報(bào)警；同時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行故障修復(fù)，如成功修復(fù)則進(jìn)入初始化狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；若故障修復(fù)失敗，則等待上位機(jī)的指令。上位機(jī)可以發(fā)送強(qiáng)制初始化來(lái)對(duì)系統(tǒng)初始化，初始化成功則進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待再次測(cè)量；如初始化失敗，則系統(tǒng)故障，需進(jìn)行檢修。

4.2 超聲波流速、流量測(cè)量程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用時(shí)差法來(lái)對(duì)液體的流速進(jìn)行測(cè)量。該方法要求在順流方向測(cè)量一次流速，然后在逆流方向測(cè)量一次流速。測(cè)量中各信號(hào)示意圖如圖8。

圖8 流速測(cè)量過(guò)程各信號(hào)示意圖

在完成測(cè)量準(zhǔn)備后，微控制器首先發(fā)來(lái)第一次測(cè)量信號(hào)，TDC7200 在接收到該信號(hào)后向TDC1000發(fā)送觸發(fā)信號(hào)Trigger，在TDC1000 接收到觸發(fā)信號(hào)后發(fā)出超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器B 發(fā)出超聲波并同時(shí)產(chǎn)生START 信號(hào)給TDC7200；超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)在液體中的傳播后，被超聲波換能器A 接收，這時(shí)TDC1000 產(chǎn)生停止信號(hào)STOP，TDC7200 接收到該停止信號(hào)，隨之TDC7200 就可以測(cè)出開(kāi)始信號(hào)和停止信號(hào)間的時(shí)間間隔，即圖中的TBA。該時(shí)間為順流方向上的超聲波傳播時(shí)間。

另一個(gè)方向上的時(shí)間測(cè)量與之類(lèi)似，只是發(fā)出的超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)換成另一個(gè)通道，發(fā)送超聲波信號(hào)換成超聲波換能器A，接收超聲波信號(hào)換成換能器B，同樣測(cè)量出一個(gè)時(shí)間間隔TAB。該時(shí)間即為逆流方向上的超聲波傳播時(shí)間。

在得出兩個(gè)方向上的超聲波傳播時(shí)間后，通過(guò)前述算法便可計(jì)算得出當(dāng)前的液體流速。在得到流速數(shù)據(jù)后需進(jìn)行低通濾波來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行與故障處理，增加了對(duì)接收超時(shí)的判斷。流速測(cè)量的程序流程圖如圖9 所示。

由流程圖可以看出，在對(duì)兩個(gè)方向的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要盡量縮短其測(cè)量間隔，以保證流速測(cè)量的精確性。并且在測(cè)量過(guò)程中要關(guān)閉所有的中斷，防止中斷流速測(cè)量過(guò)程而造成測(cè)量錯(cuò)誤。

由前述流量測(cè)量算法可知，流量的測(cè)量先得到流速值，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量值，再對(duì)該值進(jìn)行數(shù)值積分便可以得出流量值。流量計(jì)算程序框圖如圖10 所示。

圖9 流速測(cè)量流程圖

圖10 流量測(cè)量流程圖

在測(cè)量系統(tǒng)中，為了保證測(cè)量的精度，采用定時(shí)間差測(cè)量的方法[10]，即每?jī)纱瘟魉俚臏y(cè)量間隔為定值，該時(shí)間間隔由微控制器的定時(shí)器給出。在流量的測(cè)量中，要盡量減小該時(shí)間間隔，這樣在積分運(yùn)算時(shí)的誤差會(huì)減小。但由于系統(tǒng)采用的是鋰電池供電，若測(cè)量太過(guò)于頻繁，系統(tǒng)的功耗就比較高，因此測(cè)量的時(shí)間間隔也不是越小越好。為了適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求，測(cè)量的時(shí)間間隔可以由上位機(jī)的系統(tǒng)配置來(lái)給出，以適應(yīng)不同場(chǎng)合下的實(shí)際需要。

4.3 多徑效應(yīng)的避免

在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，由于超聲波在液體和管壁中傳播的速度不同，會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng)的干擾，從而造成測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。由于超聲波在兩者中的傳播速度相差比較明顯，因此取采用以下方法來(lái)避免影響：

首先，由于超聲波在管壁中的傳播屬于非直射傳播，在接收端接收到的信號(hào)幅度較小，因此可以從接收信號(hào)入手來(lái)解決多徑影響。通過(guò)對(duì)TDC1000 芯片中的接收可編程判決門(mén)限的設(shè)置來(lái)盡可能降低多徑的影響。適當(dāng)提高該判決門(mén)限可使接收到多徑信號(hào)時(shí)不觸發(fā)，而在接收到直射超聲波信號(hào)時(shí)才觸發(fā)。多徑產(chǎn)生及對(duì)其的避免的示意圖如圖11。

圖11 可編程門(mén)限對(duì)多徑的消除

另外，軟件中的數(shù)據(jù)處理部分也對(duì)多徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾除。在可編程判決門(mén)限設(shè)置完成后，還是有一定的概率測(cè)到多徑信號(hào)，因此在軟件中也進(jìn)行了數(shù)據(jù)的處理。由于在管壁的傳播速度較液體中快，而且差別較大，因此采用突變檢測(cè)濾波的方法對(duì)測(cè)量的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：在每次讀取測(cè)量數(shù)據(jù)后，把該數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若大于設(shè)定的突變閾值，則視為突變數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)采用歷史數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算；否則正常采用該讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[11]。

通過(guò)上述二種方法，在實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中幾乎可以完全避免多徑數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和干擾，保持測(cè)量數(shù)據(jù)的正確和平滑的特征。

4.4 數(shù)據(jù)顯示與控制終端程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初步采用基于Windows 上位機(jī)顯示和控制的方案，考慮到將來(lái)顯示界面可能用于其他平臺(tái)，因此基于Qt 進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)。Qt 以其優(yōu)異的跨平臺(tái)特性而得到廣泛的使用。設(shè)計(jì)的顯示和控制界面實(shí)際工作界面如圖12 所示。界面包括兩個(gè)大部分：數(shù)據(jù)顯示部分和控制部分。數(shù)據(jù)顯示部分在窗口左側(cè)，數(shù)據(jù)波形顯示窗口可以實(shí)時(shí)顯示液體的流速數(shù)據(jù)；在該窗口下方對(duì)流速和流量的數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并有工作狀態(tài)指示標(biāo)志，在正常工作時(shí)為綠色，發(fā)生故障時(shí)為紅色。

圖12 電腦端軟件界面

控制部分包括實(shí)時(shí)測(cè)量、歷史回放和系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)方面。實(shí)時(shí)測(cè)量中有液體測(cè)量的一些控制命令按鈕，以完成對(duì)液體測(cè)量的控制；歷史回放部分完成對(duì)歷史保存的流量和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，回放采用類(lèi)似于視頻播放的形式，可以很方便地看到不同時(shí)間下液體流速、流量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而且還可以拖動(dòng)進(jìn)度條，來(lái)對(duì)特定時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀看。以視頻播放的方式來(lái)對(duì)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的回放也是本系統(tǒng)中的一個(gè)亮點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)置部分完成對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)和上位機(jī)軟件的設(shè)置，包括對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量參數(shù)、超聲波測(cè)量門(mén)限值、發(fā)送增益等的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

上位機(jī)軟件把測(cè)量數(shù)據(jù)以文本文檔的形式進(jìn)行保存，方便不同設(shè)備上的讀取，而且還可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸檔，方便數(shù)據(jù)管理。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)自來(lái)水的流速和流量做出測(cè)量來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)系統(tǒng)采用內(nèi)徑為30 mm 的管道，超聲波換能器在管道上的安裝角度為45°。測(cè)量在靜止時(shí)的流速以獲得該系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量精度。部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 靜止時(shí)流速測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)有不同程度的跳動(dòng)，基本穩(wěn)定在小數(shù)點(diǎn)后1 位。因此可以得出結(jié)論，該系統(tǒng)的靜態(tài)流速測(cè)量精度至少在0.001 m/s 的級(jí)別。要得出更準(zhǔn)確的測(cè)量精度以及動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行更精確的對(duì)照試驗(yàn)。

在對(duì)流量的測(cè)量中，采用標(biāo)定的方法進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 流量測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)流量測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)的流量測(cè)量的相對(duì)精度可達(dá)0.01%的數(shù)量級(jí)。

通過(guò)上述對(duì)靜止液體流速的測(cè)量以及對(duì)標(biāo)定流量的測(cè)量，可以得出結(jié)論：該綜合測(cè)量系統(tǒng)可以精確地測(cè)出液體的流速和流量，并且對(duì)比市面上其他的超聲波測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量精度要更高。

在測(cè)試過(guò)程中采用200 m 的雙絞線來(lái)作為CAN 總線的物理線纜，模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)距離應(yīng)用。將該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在工作狀態(tài)下，并未出現(xiàn)死機(jī)或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié) 束 語(yǔ)

介紹了基于TDC7200 和TDC1000 的新型高精度超聲波液體流速、流量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于采用的是基于TDC7200 和TDC1000 的全新集成方案，使超聲波測(cè)量系統(tǒng)的體積更小、測(cè)量精度更高，滿(mǎn)足了高精度、小型化的液體流速和流量測(cè)量需求。而且該系統(tǒng)采用CAN 總線來(lái)連接測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與控制終端，可以滿(mǎn)足復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，該超聲波流量綜合測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用中非常方便，并且其系統(tǒng)的可靠性和精確性達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，具有很高的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。但系統(tǒng)還有很大的改進(jìn)的空間，如對(duì)流速進(jìn)行分層補(bǔ)償，以達(dá)到更優(yōu)的精度；降低測(cè)量系統(tǒng)的功耗；增加溫度補(bǔ)償算法，以進(jìn)行高精度的液體密度測(cè)量，擴(kuò)展該系統(tǒng)的功能，有待在今后進(jìn)一步研究中作出完善與提高。