基于時(shí)差法的外夾式超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董力綱,王紅亮,劉 濤

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

相比于孔板式、渦街式、渦輪式、電磁式等傳統(tǒng)流量計(jì)，超聲波流量計(jì)因其具有幾乎無壓損、無阻流部件、非接觸式，高精度、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于石油傳輸、流量跟蹤、給水、排水等領(lǐng)域，但其在實(shí)際應(yīng)用中往往存在測(cè)量范圍不廣、測(cè)量精度不高的問題[3]。外夾式超聲波流量計(jì)的測(cè)量易受安裝誤差、管道參數(shù)、夾具、耦合劑、聲道等因素的影響，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在以前的流量測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)中，硬件電路都是采用分立元件來設(shè)計(jì)，這樣會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得多余，容易產(chǎn)生較多電路噪聲，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響[4-5]。系統(tǒng)采用了高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22來進(jìn)行時(shí)間計(jì)量，采用單片機(jī)結(jié)合FPGA的整體架構(gòu)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。針對(duì)大管徑或流體情況復(fù)雜等造成信號(hào)衰減嚴(yán)重的情況，設(shè)計(jì)了DAC電路生成比較器基準(zhǔn)電壓，通過靈活調(diào)節(jié)比較電路的基準(zhǔn)電壓保證信號(hào)接收的精確性。

綜上所述，文中設(shè)計(jì)的基于時(shí)差法的外夾式液體超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)具有不損壞管道、精度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍極廣的優(yōu)點(diǎn)，可以為給水、排水、灌溉、石油傳輸?shù)阮I(lǐng)域提供方便、快捷、精確的技術(shù)支持，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)，工業(yè)等儀表領(lǐng)域的發(fā)展。

1 外夾式超聲波流量計(jì)的工作原理

如圖1所示，基于時(shí)差法的外夾式液體超聲流量計(jì)使用一對(duì)傳感器，它們以固定角度安裝在包含流體的管道軸線的兩側(cè)，超聲波的傳播路徑是“發(fā)射端—匹配層—管壁—流體—管壁—匹配層—接收端”。

圖1 時(shí)差法傳播示意圖

首先，發(fā)射端傳感器1發(fā)射一個(gè)脈沖，順流的流方向。然后接收端傳感器2接收到脈沖，得到順流渡越時(shí)間t1。同理，可以得到流體方向上傳感器2到1的逆流時(shí)間t2。流速是順流與逆流的時(shí)差函數(shù)，由式(1)表示:

(1)

(2)

(3)

這里的L表示超聲波傳播聲道的長(zhǎng)度，c0表示聲速，θ表示傳感器安裝夾角，t1表示順流傳播時(shí)間，t2表示逆流傳播時(shí)間，v表示液體流速[6-7]。

圖2 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波液體流量計(jì)系統(tǒng)框圖如圖2所示。外夾式液體超聲波流量計(jì)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)方式，由控制模塊、傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊以及計(jì)時(shí)模塊組成。

系統(tǒng)的工作流程為：首先單片機(jī)將測(cè)試頻率、增益范圍、門限時(shí)間和門限電壓發(fā)送給FPGA；接著FPGA將AGC的增益調(diào)到最低，將電壓比較器的輸出鎖存；驅(qū)動(dòng)超聲波換能模塊發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)；經(jīng)過一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)AGC的增益到正常范圍，解除對(duì)電壓比較器輸出信號(hào)的鎖存，等待接收到的信號(hào)觸發(fā)電壓比較器；最后電壓比較器檢測(cè)到信號(hào)后，F(xiàn)PGA將計(jì)時(shí)電路停止，讀出時(shí)間信息，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)記錄本次渡越時(shí)間。

2.1 控制模塊

系統(tǒng)使用型號(hào)為XC6SLX9-2TQG144的FPGA作為主控芯片，此型號(hào)是賽靈思公司設(shè)計(jì)的一款低成本，高容量的FPGA。其強(qiáng)大的I/O端口和通訊接口大大簡(jiǎn)化了外圍電路，為系統(tǒng)的集成和小型化提供了極大的便利。

FPGA的外圍配置電路如圖3所示。在FPGA的每一個(gè)電源引腳上面均放置一個(gè)0.1 μF的高頻去耦電容，此電容可有效防止高頻噪聲對(duì)FPGA的影響，同時(shí)，也可以有效濾除FPGA的電源引腳對(duì)外圍電路的影響。

圖3 FPGA配置電路圖

考慮到FPGA程序需要不斷地調(diào)試和更新，電路中預(yù)留了JTAG下載接口，可以使用此接口對(duì)FPGA進(jìn)行在線調(diào)試和程序下載。此外，為了方便調(diào)試，設(shè)計(jì)了重新加載程序按鍵：FPGA-PROG。當(dāng)此按鍵按下后，F(xiàn)PGA自動(dòng)重置，LED燈D2亮起，指示當(dāng)前FPGA內(nèi)部無程序，然后FPGA重新從FLASH中讀取程序，程序加載完成后，D2熄滅，程序重新運(yùn)行。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

發(fā)射的超聲波信號(hào)質(zhì)量是系統(tǒng)測(cè)量精度和測(cè)量范圍的第一影響要素，而超聲波換能器的固有性能和換能器的驅(qū)動(dòng)電路共同影響了發(fā)射的超聲波信號(hào)質(zhì)量。所以，不僅要選擇性能良好的超聲波換能器，更要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的驅(qū)動(dòng)電路超聲波換能器。在發(fā)射狀態(tài)下，需要的瞬態(tài)電流較高，需要的發(fā)射頻率較高，經(jīng)過比對(duì)分析，系統(tǒng)使用MOSFET驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)芯片，芯片型號(hào)為TC4427CE。TC4427CE是一款MOSFET專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置兩路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器。峰值輸出電流可以達(dá)到1.5 A，供電范圍4.5～18 V。其具有高達(dá)1 000 pF的電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，且上升下降延時(shí)典型值為30 ns。

超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。系統(tǒng)使用兩片驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)兩個(gè)超聲波換能器進(jìn)行分時(shí)驅(qū)動(dòng)，需要指出的是，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊電路時(shí)，考慮到單個(gè)芯片電流的承載能力有限，所以采用兩個(gè)芯片交叉驅(qū)動(dòng)，即U9的B通道與U10的B通道組成一對(duì)驅(qū)動(dòng)電路用來驅(qū)動(dòng)下方的換能器，U9的A通道與U10的A通道組成一對(duì)驅(qū)動(dòng)電路用來驅(qū)動(dòng)上方的換能器。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是減小了單個(gè)芯片的瞬時(shí)電流，增加了驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性，提高了驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

圖4 超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32F103RET6單片機(jī)是ST公司的內(nèi)置 Cortex?-M3微處理器，STM32F1系列單片機(jī)的內(nèi)部集成了很多的功能模塊，實(shí)現(xiàn)一片芯片完成多片芯片才能完成的功能，不僅縮小了產(chǎn)品的體積和成本，同時(shí)降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜電路。該單片機(jī)內(nèi)核運(yùn)行速度高達(dá)72 MHz。它具備處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

圖5 STM32單片機(jī)外圍電路

2.4 信號(hào)調(diào)理模塊

在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，超聲波會(huì)以流體為承載體在管道中傳播。流體一方面會(huì)改變超聲波的流速，另一方面會(huì)嚴(yán)重衰減超聲波的能量，甚至在超聲波到達(dá)接收端之前將其衰弱至調(diào)理電路無法處理的程度。除了超聲波質(zhì)量會(huì)影響系統(tǒng)整體的性能之外，超聲波接收調(diào)理電路同樣是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。接收調(diào)理電路要做的是將有效的超聲波信號(hào)從環(huán)境噪聲中提取出來并放大，以供后續(xù)的比較電路和計(jì)時(shí)電路進(jìn)行處理。

系統(tǒng)采用兩級(jí)放大電路對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大。第一級(jí)使用可控增益電壓運(yùn)算放大器，其具有高輸入阻抗、高共模抑制比的特點(diǎn)。第一級(jí)放大電路圖如圖6所示。

圖6 一級(jí)放大電路

一級(jí)放大電路的核心為MC1350放大芯片，該芯片可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的初步放大。系統(tǒng)中的初級(jí)放大電路放大倍數(shù)由AGC控制電路產(chǎn)生的增益控制信號(hào)決定。為了減小噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響，在放大電路輸入端特別地設(shè)計(jì)了截止頻率為100 kHz的差分高通濾波電路。第一級(jí)放大電路的輸入信號(hào)為SIG1+、SIG1-，此信號(hào)由信號(hào)切換電路提供。輸出信號(hào)為：SIG1。

AGC增益控制信號(hào)產(chǎn)生電路如圖7所示。在此電路中，以運(yùn)算放大器LMV822為核心構(gòu)成了雙路積分運(yùn)算放大器，使用了三路獨(dú)立的模擬單刀雙擲開關(guān)中的兩路來控制積分電路的反相輸入端接地或者接VCC，剩余的一路開關(guān)用來同時(shí)控制兩個(gè)同向輸入端，以達(dá)到及時(shí)關(guān)斷積分過程。三路獨(dú)立的單刀雙擲開關(guān)的控制信號(hào)分別為SW1-S0、SW1-S1、SW1-S2。這三個(gè)信號(hào)由邏輯控制電路中的FPGA進(jìn)行控制。

圖7 AGC控制電路

兩路積分電路的輸出分別接到一個(gè)模擬單刀雙擲開關(guān)的NC(常關(guān))、NO(常開)上，COM(公共端)輸入到LM358的同向輸入端，由LM358將積分信號(hào)放大至足以推動(dòng)MC1350的增益控制端。COM同時(shí)輸出至ADC芯片TLV2541，用來監(jiān)視增益控制信號(hào)的幅度，構(gòu)成閉環(huán)控制，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定與溫度適應(yīng)性。此電路中的MAX6064是一款電壓基準(zhǔn)芯片，用于向ADC提供電壓采樣基準(zhǔn)。

電流反饋運(yùn)算放大器與電壓反饋運(yùn)算放大器在結(jié)構(gòu)上差別較大，因電流反饋運(yùn)算放大器沒有基礎(chǔ)增益帶寬積的限制，更適用于高速信號(hào)[12]。電流反饋運(yùn)算放大器與電壓反饋運(yùn)算放大器具有相同的外部配置電路。系統(tǒng)使用了同向放大電路，為了隔絕第一級(jí)放大電路的直流信號(hào)使用了高通濾波電路。在輸入級(jí)和輸出級(jí)均放置了高通RC濾波電路，截止頻率分別為37 kHz，100 kHz。

第二級(jí)放大電路的作用是將信號(hào)放大至電壓比較器可以接受的電壓范圍，電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，其輸入信號(hào)為SIG1，由第一級(jí)放大電路提供，輸出信號(hào)為SIG2。

圖8 二級(jí)放大電路

當(dāng)管徑較大、管壁較厚或者管內(nèi)物質(zhì)對(duì)超聲波衰減較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)極其微弱，而前級(jí)放大電路放大倍數(shù)不足以將原始信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)的電壓，在目標(biāo)電壓一定的情況下，這將導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量不準(zhǔn)確甚至測(cè)量失敗。為了使系統(tǒng)能夠適應(yīng)大范圍管徑，設(shè)計(jì)了可調(diào)基準(zhǔn)電壓電路，如圖9所示。其電壓基準(zhǔn)信號(hào)由DAC提供給電壓比較器。

圖9 可調(diào)基準(zhǔn)電壓比較電路

在系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先讀取已設(shè)定好的管徑大小。其會(huì)根據(jù)管徑的大小來選擇合適的目標(biāo)電壓基準(zhǔn)，然后進(jìn)行10次測(cè)量。在測(cè)量過程中，如果檢測(cè)到超過兩次以上沒有接收到有用信號(hào)，那么FPGA會(huì)控制DAC以1 mV的步進(jìn)值增加基準(zhǔn)電壓，直到連續(xù)十次測(cè)量均能得到準(zhǔn)確結(jié)果為止。

圖10 計(jì)時(shí)模塊電路

當(dāng)管徑較小、環(huán)境噪聲較大時(shí)，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電壓值遠(yuǎn)小于經(jīng)過放大后的超聲回波信號(hào)或者環(huán)境噪聲，這將會(huì)使電壓比較器提前觸發(fā)或者反復(fù)觸發(fā)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確或者測(cè)量失敗。在控制超聲波發(fā)射模塊不工作的情況下，F(xiàn)PGA會(huì)檢測(cè)電壓比較器的當(dāng)前狀態(tài)，如果出現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)或者一直處于被觸發(fā)狀態(tài)，則增大目標(biāo)基準(zhǔn)電壓，直至電壓比較器處于未觸發(fā)狀態(tài)。

2.5 計(jì)時(shí)模塊

傳統(tǒng)的超聲波流量計(jì)都是使用FPGA作為時(shí)間計(jì)量器件，通過計(jì)算系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)來獲得超聲波的渡越時(shí)間。FPGA的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率一般為50 MHz或者100 MHz，這種計(jì)時(shí)方法導(dǎo)致了獲得的渡越時(shí)間是20 ns或者10 ns的倍數(shù)，嚴(yán)重地降低了測(cè)到的渡越時(shí)間的準(zhǔn)確性。

為了提高對(duì)渡越時(shí)間的測(cè)量精度，系統(tǒng)使用專用計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22對(duì)渡越時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。TDC-GP22與FPGA計(jì)時(shí)原理不同的地方在于，此芯片運(yùn)用了門電路具有傳播延遲的特性對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)量。計(jì)時(shí)開始時(shí)，觸發(fā)第一個(gè)門電路翻轉(zhuǎn)，第一個(gè)門電路的翻轉(zhuǎn)會(huì)觸發(fā)下一級(jí)的門電路翻轉(zhuǎn)，以此至級(jí)聯(lián)在一起的門電路依次有序地翻轉(zhuǎn)。當(dāng)停止信號(hào)有效時(shí)，會(huì)立即停止級(jí)聯(lián)在一起的門電路翻轉(zhuǎn)，通過訪問寄存器即可得知從開始至結(jié)束已經(jīng)翻轉(zhuǎn)了的門數(shù)量，進(jìn)而得知測(cè)量到的時(shí)間大小。

此芯片具有兩種測(cè)量模式，模式一測(cè)量范圍3.5 ns 至2.5 μs，在單通道、數(shù)據(jù)格式為雙精度的情況下，測(cè)量精度可達(dá)±45 ps；模式二測(cè)量范圍500 ns至4 ms，在單通道、數(shù)據(jù)格式為四精度的條件下，精度可達(dá)22 ps。

計(jì)時(shí)電路模塊與FPGA之間采用四線SPI協(xié)議進(jìn)行通信，此外，TDC-GP22使用一個(gè)中斷引腳來觸發(fā)FPGA訪問其內(nèi)部寄存器。計(jì)時(shí)模塊電路圖如圖10所示。

計(jì)時(shí)模塊電路的開始計(jì)時(shí)信號(hào)由FPGA提供。當(dāng)FPGA控制驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)射超聲波時(shí)，給計(jì)時(shí)芯片提供一個(gè)開始計(jì)時(shí)信號(hào)，計(jì)時(shí)芯片開始計(jì)時(shí)。停止信號(hào)由信號(hào)調(diào)理模塊中的電壓比較器提供，當(dāng)電壓比較器識(shí)別到了有效的超聲波信號(hào)時(shí)，電壓比較器的輸出端電平翻轉(zhuǎn)，這個(gè)電平翻轉(zhuǎn)過程被計(jì)時(shí)芯片識(shí)別后，停止內(nèi)部的門電路翻轉(zhuǎn)，中斷引腳觸發(fā)FPGA讀取內(nèi)部寄存器。至此，一次流速測(cè)量完成，F(xiàn)PGA清空計(jì)時(shí)芯片內(nèi)部寄存器，計(jì)時(shí)芯片等待下次觸發(fā)。

2.6 PCB Layout

電路板使用Altium Designer設(shè)計(jì)，采用四層板結(jié)構(gòu)，其中頂層和底層布設(shè)信號(hào)線，第二層是地層，第三層是電源層，電源層進(jìn)行電源分割設(shè)置，分別分割為5 V、3.3 V、1.2 V、12 V。整體電路板尺寸為10 cm*10 cm。四個(gè)角上放置內(nèi)徑為3 mm的定位孔供機(jī)械固定。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高精度流量計(jì)除了要具有精度高、性能穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)外，還需要有其配套的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)需要處理TDC-GP22計(jì)時(shí)芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成流速、流量等信息，除此以外，還要完成人機(jī)交互界面、通訊等功能。主程序和數(shù)據(jù)處理程序流程如圖11所示。

圖11 主程序和數(shù)據(jù)處理流程圖

系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行初始化，然后讀取并解析相關(guān)配置信息，解析完成之后，向FPGA分別發(fā)送AGC控制信息、計(jì)時(shí)芯片配置信息以及測(cè)量周期T，其次將配置信息更新至屏幕，硬件的控制命令發(fā)送完畢，系統(tǒng)等待進(jìn)入中斷。中斷觸發(fā)后，開始接收順流時(shí)間t1和逆流時(shí)間t2，從而計(jì)算出流速和流量，數(shù)據(jù)處理程序使用中斷進(jìn)行，此中斷為內(nèi)核最高優(yōu)先級(jí)，可及時(shí)接收數(shù)據(jù)并運(yùn)算，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。計(jì)算結(jié)果更新至屏幕并通過串口發(fā)送之后，清除中斷標(biāo)志位，繼續(xù)等待下一個(gè)中斷。

系統(tǒng)使用按鍵編碼器實(shí)現(xiàn)管徑和測(cè)量周期的設(shè)定，編碼器檢測(cè)程序框圖如圖12所示。如果檢測(cè)到編碼器A相提前B相，則管徑S加1，否則管徑S減1；若此時(shí)有按鍵被按下，判斷編碼器A相是否提前B相，如果提前，則測(cè)量頻率H加1，否則測(cè)量頻率減1，最后將相關(guān)配置信息發(fā)送至FPGA。

圖12 編碼器輸入系統(tǒng)信息程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與誤差分析

搭建液體超聲波流量測(cè)試平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，得出超聲波流量計(jì)的使用特性，通過改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，從而提高樣機(jī)的測(cè)量精度。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度約為20.3 ℃，壓強(qiáng)101 kPa，聲速約為1 483.2 m/s，流量計(jì)樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)表的安裝角度為45°，超聲波聲道長(zhǎng)大約為175 mm。單聲道液體超聲波流量測(cè)試平臺(tái)如圖13所示，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的流體為水，平臺(tái)主要有液體輸入部分、樣機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)表三部分組成。該裝置的運(yùn)作原理為：將液體泵和整流器安裝在距離樣機(jī)10D(D為管道內(nèi)徑)的位置，在液體泵的作用下將流體傳送至待測(cè)管道。液體泵工作穩(wěn)定后，讀取多組標(biāo)準(zhǔn)表與樣機(jī)的測(cè)量結(jié)果。

圖13 超聲波流量測(cè)試平臺(tái)示意圖

通過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種測(cè)量方式來驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4.1 靜態(tài)測(cè)量

靜態(tài)流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)是指當(dāng)管道內(nèi)的液體流速為零時(shí)，測(cè)量結(jié)果的離散性，是驗(yàn)證超聲波流量計(jì)基礎(chǔ)性能的重要方法之一。在環(huán)境溫度為20.3 ℃，水中聲速約為1 483.2 m/s時(shí)，進(jìn)行測(cè)量，得到結(jié)果如圖14所示。10次測(cè)量數(shù)據(jù)中的最大偏差為0.001 67 m/s，樣機(jī)測(cè)量狀態(tài)基本穩(wěn)定。

圖14 靜態(tài)流速測(cè)試結(jié)果

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量

動(dòng)態(tài)流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)是指當(dāng)管道內(nèi)的液體具有一定的流速時(shí)，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。動(dòng)態(tài)測(cè)量分為層流環(huán)境和湍流環(huán)境，均在環(huán)境溫度為20.3℃，水中聲速約為1 483.2時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表與樣機(jī)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)據(jù)分析得出相對(duì)誤差。

由表1所示的測(cè)量結(jié)果可知，層流流速測(cè)量的相對(duì)誤差均在4%以內(nèi)，相對(duì)誤差較大，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。分析數(shù)據(jù)可知主要有以下兩方面原因，一方面由于層流流速區(qū)的參考流速較小，相同的絕對(duì)誤差會(huì)大大的影響相對(duì)誤差，另一方面是由于層流流速區(qū)，流速在管道截面的分布很不均勻，單聲道超聲波流量計(jì)不能充分地反應(yīng)管道內(nèi)流體實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)，最終導(dǎo)致測(cè)量誤差偏大。

表1 層流流速相對(duì)誤差

由表2的測(cè)量結(jié)果可知，在湍流流速范圍，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均小于1%，遠(yuǎn)小于層流流速區(qū)的相對(duì)誤差4%。通過分析可知存在兩個(gè)原因：首先，湍流區(qū)間內(nèi)的流體相比于層流流體擁有更加均勻的流速分布；其次，相對(duì)誤差在求解時(shí)，湍流流速的基數(shù)較大，因此與層流相比，其相對(duì)誤差更小。

表2 湍流流速相對(duì)誤差

4.3 管徑適應(yīng)性測(cè)量

在上述測(cè)量環(huán)境的基礎(chǔ)上，更換待測(cè)管道以達(dá)到測(cè)量不同管徑的目的。使用整流器將管道內(nèi)的流速固定在2 m/s。表3所示為不同管徑下的測(cè)量結(jié)果。

對(duì)表3的數(shù)據(jù)分析可知，在管徑5～100 cm時(shí)，系統(tǒng)均可將流速測(cè)量精度控制在3%以內(nèi)。同時(shí)，隨著管徑的增加，系統(tǒng)測(cè)量流速精度不斷降低。通過論證與分析后得知，造成精度下降的主要原因是：1)隨著管道的增粗，管道內(nèi)徑制造精度下降，管徑信息有誤差；2)隨著管徑的增加，液體中的氣泡、雜質(zhì)等增多，這些因素會(huì)導(dǎo)致超聲波在氣泡或者雜質(zhì)的表面形成雜亂的折射或者反射，影響了信號(hào)調(diào)理電路的處理與判別；3)整流器對(duì)于大管徑管道的流速控制精度下降。

表3 不同管徑下的流速測(cè)量

5 結(jié)束語

本文采用單片機(jī)結(jié)合FPGA的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)了基于時(shí)差法的外夾式超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)。通過搭建流量測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行多次測(cè)試，層流流速測(cè)量相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，湍流流速測(cè)量在2%以內(nèi)，驗(yàn)證了其獨(dú)特的DAC流量測(cè)量系統(tǒng)可以適應(yīng)大范圍管徑的管道。該系統(tǒng)有較高的可靠性和精度，具有廣泛深遠(yuǎn)的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。