專利名稱：一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法，特 別涉及一種高精度的流體流量超聲波檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
在冶金、石油、化工、電力等工業(yè)企業(yè)及城市供水、排水、環(huán)保部門 都需對(duì)管道中流過的水、油、污水等流體進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。而傳統(tǒng);險(xiǎn)測(cè)方法 和渦輪、渦街、孔板、電磁等種類流量檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置都需要將其傳 感部分安裝在管道內(nèi)，并配一段安裝管，不僅不便于安裝維修，而且會(huì)引 起流體的壓力損失、泄漏等問題，尤其對(duì)有毒、有腐蝕性、易爆及帶放射 性介質(zhì)流體的測(cè)量顯得很不適應(yīng)。因此，大力發(fā)展能在管道外就可準(zhǔn)確、 可靠地測(cè)量管道中流量的超聲波流量計(jì)勢(shì)在必行。
超聲波流量測(cè)量技術(shù)是一種利用超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)所載流體 的流速信息來測(cè)量流體流量的測(cè)量技術(shù)，它具有非接觸式測(cè)量、測(cè)量精度 高、測(cè)量范圍寬、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，特別適合用于臨時(shí)管道流量、大 口徑管道流量以及危險(xiǎn)性流體流量的測(cè)量。近幾年以來，由于數(shù)字信號(hào)處
理器(DSP)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及以基于DSP為核心的超 聲波流量計(jì)來廣泛取代國(guó)內(nèi)單片機(jī)為核心的超聲波流量計(jì)，從而利用數(shù)字 信號(hào)處理的一些技術(shù)來改善了產(chǎn)品的測(cè)量精度。隨著高速數(shù)字信號(hào)的處理 技術(shù)與微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，新型探頭材料與工藝的研究，聲道配置 及流體動(dòng)力學(xué)的研究，超聲波流量測(cè)量技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，并且成為 了 一種重要的流量測(cè)量技術(shù)。
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)大致可分為直接時(shí)差法、 時(shí)差法、頻差法、波束偏移法、多普勒法、空間濾波法及噪聲法等類型， 其中應(yīng)用最廣泛的是基于時(shí)差法的超聲波流量計(jì)。但時(shí)差法一般用于大口 徑管道的流速測(cè)量，由于流速的方程中含有聲速C,它受溫度的影響較大， 即C不是一個(gè)常數(shù)，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
采用時(shí)差法時(shí)， 一般測(cè)量傳播時(shí)間都是以收到的第一個(gè)接收波作為計(jì) 時(shí)開關(guān)信號(hào)的。從發(fā)射超聲波脈沖起至接收到的第 一個(gè)波為止的時(shí)間間隔 內(nèi)，由于接收門是一直敞開著的，因此，外界各種干擾信號(hào)都很容易侵入， 從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性。而且在用相關(guān)法測(cè)量時(shí)差的過程中，由于干擾信號(hào)的侵入會(huì)增加相關(guān)運(yùn)算量，從而降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度。
在超聲波流量計(jì)中，對(duì)測(cè)量精度的要求是很高的。 一般的流體測(cè)量中，
在介質(zhì)流速為lm/s，時(shí)差僅為幾十個(gè)納秒，要達(dá)到納秒級(jí)的分辨率，現(xiàn)有
檢測(cè)方法是很難實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的，在檢測(cè)過程中對(duì)流速的計(jì)算中含有聲速 C，它受溫度的影響較大，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度；檢測(cè)過程中接收門是 一直敞開著，外界各種干擾信號(hào)都很容易侵入，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性和 在超聲波流量沖全測(cè)中，對(duì)測(cè)量精度的要求^f艮高，介質(zhì)流速為lm/s，時(shí)差僅 為幾十個(gè)納秒，要達(dá)到納秒級(jí)的分辨率，現(xiàn)有檢測(cè)方法無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問 題，本發(fā)明提供了 一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為，提供 一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制部、電 路部和輔助裝置；所述系統(tǒng)控制部進(jìn)一步包括用于進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù) 存取及通信的單片機(jī)；用于進(jìn)行信號(hào)濾波處理和相關(guān)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理 器；用于時(shí)序控制及電平轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；所述電路部進(jìn)一步包 括切換電路、自動(dòng)增益控制電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換 電路；所述輔助裝置進(jìn)一步包括存儲(chǔ)部、輸入裝置、顯示裝置、電源和 超聲波換能器；本系統(tǒng)包括用于計(jì)算機(jī)對(duì)流量計(jì)無線控制的操作軟件。 其中，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列分別與所述輸入裝置和所述超聲波換能器連 接，接受所述輸入裝置的輸入指令并對(duì)所述超聲波換能器進(jìn)行時(shí)序控制； 所述數(shù)字信號(hào)處理器與所述存儲(chǔ)部連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換；所述可編 程門陣列分別與所述單片機(jī)和所述數(shù)字信號(hào)處理器雙向連接；所述單片機(jī) 與所述顯示裝置連接，通過所述顯示裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的顯示。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)采用多電源供 電，包括第一電源、第二電源和第三電源。其中，所述第一電源為所述模 擬電路部分供電、所述第二電源為所述數(shù)字電路部分供電，所述第三電源 為所述功率放大電路部分供電。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述第 一電源和所述第三電源采用外接 15v電壓經(jīng)穩(wěn)壓管1117獲得10v及13v電壓；所述第二電源采用DC-DC模塊，獲得+ 5v電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路包括第一數(shù)字/
模擬轉(zhuǎn)換部和第二數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部；其中，所述第一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部采 用16位的數(shù)字Z模擬芯片把檢測(cè)得到的流量數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作
為4-20mA電流輸出電路的輸入電壓信號(hào)；所述第二數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部是用 于兩級(jí)自動(dòng)增益控制器放大電路中的增益控制電壓信號(hào)，采用一個(gè)8位的 數(shù)字/模擬芯片把接收到的超聲波信號(hào)的幅值數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以 調(diào)整自動(dòng)增益控制器的增益倍數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的 一優(yōu)選實(shí)施例所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將接收到的超聲 波信號(hào)經(jīng)過選頻放大和兩級(jí)自動(dòng)增益控制放大后通過ADS807轉(zhuǎn)換為12 位的數(shù)字信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述自動(dòng)增益放大電路采用了 AD603 芯片，將換能器接收的超聲波信號(hào)經(jīng)過選頻放大后再放大到規(guī)定的幅值， 以滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)處理的要求；所述自動(dòng)增益放大電路分為兩級(jí)以提 高AGC電5^的工作范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述系統(tǒng)包括雙路報(bào)警信號(hào)電路，所述 報(bào)警信號(hào)電路是通過設(shè)定總流量和流量速度的上限值，對(duì)超過所述上限值 時(shí)進(jìn)行報(bào)警。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為，提供 一種超聲波流量才企測(cè)方法，所述超聲波流量;^測(cè)方法采用時(shí)差法，通過
v= D/cos^U/cx^^得到流體的速度;采用延遲窗口接收技術(shù)， 2(X + AO," sin 6> 2" sin 6>
通過脈寬檢測(cè)減小檢測(cè)中噪音對(duì)檢測(cè)精度的影響；采用插值相關(guān)法和相關(guān) 系數(shù)判斷法使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率達(dá)到1.25ns 。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述延遲窗口接收技術(shù)具體為通過所述 超聲波流量一全測(cè)系統(tǒng)先檢測(cè)采樣信號(hào)的最大值，然后調(diào)整采樣窗口位置， 使采樣信號(hào)的最大值位于采樣窗口的中央位置，由于接收信號(hào)的頻率是固 定的，通過檢測(cè)相鄰兩個(gè)波峰位置信號(hào)點(diǎn)的數(shù)值大小進(jìn)行采樣信號(hào)有效性 的判斷，若判斷采樣信號(hào)無效則重新采樣，若判斷采樣信號(hào)為有效，則把 采樣信號(hào)縮短至合適的窗口寬度再進(jìn)行下一步信號(hào)處理。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例所述采用插值相關(guān)法和相關(guān)系數(shù)判斷法率達(dá)到1.25ns具體操作為通過所述超聲波檢測(cè)系統(tǒng) 采用線性插值方法，將采樣信號(hào)先經(jīng)過55階FIR濾波后再進(jìn)行線性插值， 相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)值之間插19個(gè)點(diǎn)，這樣分辨率得到了提高，使時(shí)間分辨率達(dá) 到1.25ns。
本發(fā)明的目的是為了提高超聲波流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。鑒于此發(fā)明 的目的，本系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在硬件方面，本系統(tǒng)采 用DSP、 FPGA和MCU為核心部分，DSP主要負(fù)責(zé)信號(hào)濾波和相關(guān)算法 的運(yùn)算，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序控制，MCU主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、系統(tǒng) 控制、數(shù)據(jù)存取及通信功能。這樣從硬件方面提高運(yùn)算的精度、縮短運(yùn)算 周期、提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。在軟件方面，首先，系統(tǒng)采用改進(jìn)的時(shí)差法， 從而避免了系統(tǒng)受溫度的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；其次，系統(tǒng)采用了 延遲窗口接收技術(shù)，減小了噪聲的干擾，減少了相關(guān)運(yùn)算量，從而縮短運(yùn) 算周期；最后，采用插值相關(guān)法，使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率得到進(jìn)一步的 提高，達(dá)到1.25ns,從而明顯地提高了超聲波流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。本 發(fā)明中檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、測(cè)量穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，精度達(dá)到 0.5 % 、靈每文度達(dá)到0.3mm/s，適宜于測(cè)量直徑為25mm ~ 8m的塑料與金屬 管道內(nèi)的各種液體的流量及流速。


圖l.本發(fā)明一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法中超聲波流量檢測(cè)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.超聲波流量檢測(cè)方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一 步說明
說明過程可參閱圖1本發(fā)明一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法中超 聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖和圖2超聲波流量檢測(cè)方法流程圖。
超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理為，第一超聲波換能器104和第二超 聲波換能器104，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列101的控制下，輪流工作在發(fā)射與 接收狀態(tài)，諧振頻率為lMHz。接收信號(hào)經(jīng)過選頻放大114濾除了部分干 擾信號(hào)，再由自動(dòng)增益控制112放大后送往模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器110,以每次 25nS的轉(zhuǎn)換速度實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)到外部RAM115中。整個(gè)過 程的時(shí)序控制都由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列101實(shí)現(xiàn)，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性。為 了進(jìn)一步提高運(yùn)行的速度，數(shù)字信號(hào)處理器103首先將外部RAM中的數(shù)
8據(jù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM中，并根據(jù)其大小通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器107控制自動(dòng) 增益控制放大器112的增益值，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，再對(duì)其進(jìn)行55階 F:[R濾波。經(jīng)過FIR濾波后的信號(hào)，其采樣速率較低，時(shí)間分辨率為25nS, 導(dǎo)致測(cè)量精度不夠高。為了提高精度，必須進(jìn)行插值運(yùn)算。本系統(tǒng)采取的 是線性插值，插值后時(shí)間分辨率為1.25nS。插值后的兩組信號(hào)再經(jīng)過相關(guān) 運(yùn)算處理，便得出流體順流和逆流的時(shí)間差，從而求出流體的流速。
如圖1所示在本發(fā)明超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中電源部分采用了多電源裝 置，即模擬部分和數(shù)字部分采用不同的電源供電，減少互相之間的干擾。 模擬電路及功率放大電路電源采用外接15v電壓經(jīng)穩(wěn)壓管1117獲得10v 及13v電壓，這樣可以減少數(shù)字電路的干擾；數(shù)字電路電源采用DC-DC 模塊，可以提高電源的效率，從而獲得+ 5v電壓，給數(shù)字電路供電，減少 模擬電路帶來的干擾。
4-20mA電流環(huán)控制部分109,超聲波流量系統(tǒng)將測(cè)得的流量參數(shù)轉(zhuǎn)換 為4-20mA電流輸出，采用16位的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片MAX541先把數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后再通過AD694把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA范圍 內(nèi)的電流信號(hào)。
雙路^l艮警信號(hào)部分是通過設(shè)定限定值來預(yù)警流量的信息，可以設(shè)定總 流量和流量速度的上限值，當(dāng)超過上限值時(shí)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換分為兩部分，第一數(shù)字/模 擬轉(zhuǎn)換部108是采用16位的D/A芯片MAX541把測(cè)得的流量數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電壓信號(hào)，作為4-20mA電流輸出電路的輸入電壓信號(hào)。第二數(shù)字/模 擬轉(zhuǎn)換部107是用于兩級(jí)自動(dòng)增益控制器AGC放大電路112中的增益控 制電壓信號(hào)，采用一個(gè)8位的D/A芯片MAX550,把接收到的超聲波信號(hào) 的幅值數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以調(diào)整自動(dòng)增益控制器的增益倍數(shù)。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換部分是將接收到的超聲波 信號(hào)經(jīng)過選頻放大114和兩級(jí)自動(dòng)增益控制放大112后通過ADS807轉(zhuǎn)換 為12位的數(shù)字信號(hào)。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量流體流量的原理是采用時(shí)間差法，通過測(cè) 得超聲波信號(hào)順逆流的傳播時(shí)間差來計(jì)算出流體的流量。因此，通過控制 信號(hào)來切換電子開關(guān)，以切換順、逆超聲波信號(hào)發(fā)射方向。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中選頻放大114是采用帶通濾波電路，中心頻 率為超聲波信號(hào)的頻率lMHz，采用了 MAX436芯片，目的是為了消除噪聲干擾，這部分還具有放大信號(hào)的作用。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中自動(dòng)增益器AGC放大112部分采用了 AD603芯片，作用是將換能器接收的超聲波信號(hào)經(jīng)過選頻放大后再放大到 規(guī)定的幅值，以滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)處理的要求。放大電路分為兩級(jí)，以 提高AGC電路的工作范圍。
本超聲波流量才全測(cè)系統(tǒng)中顯示部分采用16X2的字符型LCD屏106 作為顯示裝置，完成對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)、參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，其中包括瞬時(shí)流 量、累計(jì)流量等信息的顯示。
本超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)中輸入部分采用4X4的16個(gè)按鍵的矩陣鍵盤 105,利用4X4矩陣掃描方式來判斷鍵盤的輸入狀態(tài)，采用verilogHDL語 言對(duì)FPGA芯片進(jìn)行編程來判斷按4建的狀態(tài)。
本系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)控制和數(shù)字信號(hào)處理兩部分?？刂撇糠值墓δ?包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存取和通信功能等；數(shù)字信號(hào)處理部分主要是 通過人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行釆樣信號(hào)的運(yùn)算，從而得出最終的測(cè)量結(jié)果。
超聲波流量4企測(cè)方法流程圖可以參閱圖2,如圖2所示。程序運(yùn)行開始
時(shí)先設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)，如管道直徑、材質(zhì)等，參數(shù)設(shè)置好運(yùn)行后，單片
機(jī)102首先將參數(shù)加載到DSP,再由DSP控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列101輸出
超聲波的發(fā)射信號(hào)，根據(jù)采集回的數(shù)據(jù)判斷信號(hào)的強(qiáng)度，從而通過自動(dòng)增
益控制器112控制采集信號(hào)的放大倍數(shù)，調(diào)整好放大倍數(shù)后重新發(fā)射超聲
波信號(hào)，直到信號(hào)強(qiáng)度滿足要求為止。采集回的數(shù)據(jù)經(jīng)過FIR濾波后根據(jù)
信號(hào)的完整性和干擾信號(hào)判斷信號(hào)的質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量不合格時(shí)重新返回到發(fā)
射信號(hào)程序。檢測(cè)通過后經(jīng)切換電路改變超聲波的發(fā)射方向，從而測(cè)得另
一方向的超聲波信號(hào)。兩組順逆方向的信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)得后經(jīng)過插值運(yùn)算，提
高信號(hào)的分辨率，然后進(jìn)行兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)運(yùn)算，通過計(jì)算出的時(shí)間差得
到所需的流速和流量值，數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)102通過LCD液晶顯示屏106
顯示出來。 一個(gè)周期完成后繼續(xù)下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量，動(dòng)態(tài)顯示出流體的狀 太
心o
為了達(dá)到超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)的的高精度檢測(cè)性能，本發(fā)明從三個(gè)方 面進(jìn)行改進(jìn)來提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度。 一、采用改進(jìn)的時(shí)差法
時(shí)差法測(cè)量的物理量是超聲波在流體中傳播的時(shí)間，通過測(cè)量順流和
逆流的傳播時(shí)間差來計(jì)算流體的流速。本系統(tǒng)采用的是V型安裝，流體的速度是V,超聲波在靜止流體中的速度為C，管徑為D,發(fā)射角度為6L當(dāng)
超聲波順流傳播時(shí)，其速度為c + vsin/9。從而順流時(shí)的傳播時(shí)間
<formula>formula see original document page 11</formula> (1)
式中td為聲波在管壁和探頭的傳播時(shí)間以及電路延遲時(shí)間的總和。同樣可 以得到逆流時(shí)的傳纟番時(shí)間
<formula>formula see original document page 11</formula>(2)
這樣可得到兩種情況下的傳播時(shí)間差:
<formula>formula see original document page 11</formula>
(3)
將式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化運(yùn)算，從而可得:
<formula>formula see original document page 11</formula>
式(4)由于流速的方程中含有聲速c,它受溫度的影響較大，即c不是 一個(gè)常數(shù)，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此采用這種一般的時(shí)差法時(shí)必須 要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
而本發(fā)明超聲波流量檢測(cè)方法對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使對(duì)流速的檢測(cè) 不受溫度的影響，其原理如下
順流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為
<formula>formula see original document page 11</formula>
逆流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為
<formula>formula see original document page 11</formula>
兩式相減，并考慮到Af^,-、，可以得到
<formula>formula see original document page 11</formula>上式中不含有聲速C,只要測(cè)出逆流傳播時(shí)間《和A,即可。本發(fā)明超 聲波流量檢測(cè)方法采用改進(jìn)時(shí)差法避免了系統(tǒng)受溫度的影響，從而提高系 統(tǒng)的測(cè)量精度。
二、采用延遲窗口接收技術(shù)
延遲窗口是在接收信號(hào)到達(dá)的前后才有效的一個(gè)時(shí)間窗口 ，窗口之外 的信號(hào)不予接收，這樣可以減小噪聲的干擾。為保證檢測(cè)信號(hào)的有效性，必 須先要去掉接收端的干擾，本發(fā)明超聲波流量檢測(cè)方法中采用窗口和脈寬 檢測(cè)方法。測(cè)量窗口的位置是根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)設(shè)置的，窗口的設(shè)
置限定了信號(hào)的接收范圍，在一定程度上消除了噪聲的干擾；脈寬檢測(cè)技
術(shù)是根據(jù)接收信號(hào)頻率已知，且其寬度比干擾脈沖寬得多的特點(diǎn)來分辨出 接收信號(hào)，以消除通常的幅度鑒別方法可能造成的誤判。
延遲窗口的設(shè)置方法是這樣的單片機(jī)根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)(管 徑、壁厚和流體介質(zhì))計(jì)算出窗口的起始位置，由于換能器探頭的諧振頻 率為1MHz,采樣頻率為40MHz,探頭發(fā)射信號(hào)為5個(gè)周期，為了更好的 采到接收信號(hào)，采樣寬度初次設(shè)定為800個(gè)信號(hào)點(diǎn)，即20個(gè)信號(hào)周期。為 了檢測(cè)出窗口內(nèi)的接收信號(hào)，使用了脈寬檢測(cè)技術(shù)。正常的接收信號(hào)是一 串頻率已知的脈沖，采用通常的幅度鑒別技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生誤判，因?yàn)楦蓴_ 脈沖也可能會(huì)有相當(dāng)高的幅度，但它卻沒有合適的寬度。因此，本系統(tǒng)先 檢測(cè)采樣信號(hào)的最大值，然后調(diào)整采樣窗口位置，使采樣信號(hào)的最大值位 于采樣窗口的中央位置。由于接收信號(hào)的頻率是固定的，即lMHz,因此， 可以通過;^測(cè)相鄰兩個(gè)波峰位置信號(hào)點(diǎn)的值的大小來判斷采樣信號(hào)的有效 性。若判斷采樣信號(hào)無效則重新采樣，直到采到有效信號(hào)為止。若判斷出 采樣信號(hào)為有效，則把采樣信號(hào)縮短至合適的窗口寬度再進(jìn)行下一步信號(hào) 處理，從而減小運(yùn)算量、加快運(yùn)算速度。
三、采用插值相關(guān)法和相關(guān)系數(shù)判斷法 本發(fā)明超聲波流量檢測(cè)方法<formula>formula see original document page 12</formula>
，a)分別為兩組采樣信號(hào)的均方差一 ，(T, = ■ '
W — l
(9)
r稱為相關(guān)系數(shù)，其公式為
v》x, - "VZg'' -"2
(10)
上式經(jīng)過簡(jiǎn)化后得到公式
相關(guān)系數(shù)r的重要特征為0<|,!<1,,'為正值即正相關(guān)
(11)
為負(fù)值即負(fù)
相關(guān)。本系統(tǒng)采樣的兩組信號(hào)屬于正相關(guān)，因此r值為正值。
本系統(tǒng)時(shí)差測(cè)量的方法是通過判斷兩組采樣信號(hào)的相關(guān)系數(shù)值來確定 的。系統(tǒng)采樣回的信號(hào)經(jīng)濾波和插值處理后，通過不斷改變兩組采樣信號(hào) 的相位關(guān)系，同時(shí)計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，最后，計(jì)算出當(dāng)相關(guān)系數(shù)最大時(shí)兩組 采樣信號(hào)之間的相位差，從而得出時(shí)間差值。
在已知的兩組采樣信號(hào)中，相關(guān)系數(shù)公式中的分母項(xiàng)的值是不變的， 是不隨兩組采樣信號(hào)在移相過程中而變化的。因此，在判斷相關(guān)系數(shù)最大 值時(shí)，只需計(jì)算相關(guān)系數(shù)公式中的分子式項(xiàng)"Zx,少,-(Zx,)(Z乂)的值，然 后判斷它的最大值即可。這樣可以大大地減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的 反應(yīng)的速度。
本發(fā)明的目的是為了提高超聲波流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。鑒于此發(fā)明 的目的，本系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在硬件方面，本系統(tǒng)采 用數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和單片機(jī)為核心部分，數(shù)字信號(hào)處 理器主要負(fù)責(zé)信號(hào)濾波和相關(guān)算法的運(yùn)算，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列主要實(shí)現(xiàn)精 確的時(shí)序控制，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存取及通信功 能。這樣從硬件方面提高運(yùn)算的精度、縮短運(yùn)算周期、提高系統(tǒng)的反應(yīng)速 度。在軟件方面，首先，系統(tǒng)采用改進(jìn)的時(shí)差法，從而避免了系統(tǒng)受溫度
的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；其次，系統(tǒng)采用了延遲窗口接收技術(shù)，減 小了噪聲的干擾，減少了濾波和相關(guān)運(yùn)算量，從而縮短運(yùn)算周期；最后， 釆用了插值相關(guān)法，使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率得到進(jìn)一步的提高，達(dá)到了 1.25ns,從而明顯地提高了超聲波流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。本發(fā)明中檢測(cè)
13系統(tǒng)具有體積小、功耗低、測(cè)量穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，精度達(dá)到0.5%、靈敏
度.達(dá)到0.3mm/s,適宜于測(cè)量直徑為25mm~ 8ni的塑料與金屬管道內(nèi)的各 種液體的流量、流速及流向。
以上實(shí)施例中作為舉例說明采用了系統(tǒng)提供的編輯指令完成編輯操作 及重新排版后的結(jié)果。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作 的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于 本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下， 還可以做出若干推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制部、電路部和輔助裝置；所述系統(tǒng)控制部進(jìn)一步包括用于進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存取及通信的單片機(jī)(102)；用于進(jìn)行信號(hào)濾波處理和相關(guān)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器(103)；用于時(shí)序控制及電平轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(101)；所述電路部進(jìn)一步包括切換電路(111)、自動(dòng)增益控制電路(112)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(110)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路(107、108)；所述輔助裝置進(jìn)一步包括存儲(chǔ)部、輸入裝置(105)、顯示裝置(106)、電源和超聲波換能器(104)；其中，所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(101)分別與所述輸入裝置(105)和所述超聲波換能器(104)連接，接受所述輸入裝置(105)的輸入指令并對(duì)所述超聲波換能器(104)進(jìn)行時(shí)序控制；所述數(shù)字信號(hào)處理器(103)與所述存儲(chǔ)部連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換；所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(101)分別與所述單片機(jī)(102)和所述數(shù)字信號(hào)處理器(103)雙向連接；所述單片機(jī)(102)與所述顯示裝置(106)連接，通過所述顯示裝置(106)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲 波流量檢測(cè)系統(tǒng)采用多電源供電，包括第一電源、第二電源和第三電源。其中，所述第一電源為所述模擬電路部分供電、所述第二電源為所述 數(shù)字電^各部分供電，所述第三電源為所述功率放大電路(113)部分供電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述第一 電源和所述第三電源采用外接15v電壓經(jīng)穩(wěn)壓管1117獲得10v及13v電壓； 所述第二電源采用DC-DC模塊，獲得+ 5v電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字/ 模擬轉(zhuǎn)換電路包括第一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部(108)和第二數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部 (]07);其中，所述第一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部(108)采用16位的數(shù)字/模擬芯片把檢 測(cè)得到的流量數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為4-20mA(109)電流輸出電路的輸入電壓信號(hào)；所述第二數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部(107)是用于兩級(jí)自動(dòng)增益控制器放大電路(U2)中的增益控制電壓信號(hào)，采用 一個(gè)8位的數(shù)字/沖莫擬芯片把"^妻收到的超聲波信號(hào)的幅值數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以調(diào)整自動(dòng)增益控制器的增益 倍數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(l IO)將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過選頻放大(l 14)和兩級(jí)自動(dòng) 增益控制放大(l 12)后通過ADS807轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述自動(dòng) 增益放大電路(112)采用了 AD603芯片，將超聲波換能器(104)接收的超聲 波信號(hào)經(jīng)過選頻放大后再放大到規(guī)定的幅值，以滿足后續(xù)電路對(duì)信號(hào)處理 的要求；所述自動(dòng)增益放大電路(112)分為兩級(jí)，以提高AGC電路的工作范圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng) 包括雙^^艮警信號(hào)電路，所述報(bào)警信號(hào)電路是通過設(shè)定凈流量和流量速度 的上限值，對(duì)超過所述上限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。
8. —種超聲波流量4僉測(cè)方法，其特征在于所述超聲波流量4企測(cè)方法采用時(shí)差法，通過"」^^M:^^，得到流體的速度；采用延2(r + A《sin 6> 2《,~ sin P遲窗口接收技術(shù)，通過脈寬檢測(cè)減小檢測(cè)中噪音對(duì)檢測(cè)精度的影響；采用 插值相關(guān)法和相關(guān)系數(shù)判斷法使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率達(dá)到1.25ns 。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述超聲波流量檢測(cè)方法，其特征在于所述延遲 窗口接收技術(shù)具體為通過所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)先檢測(cè)采樣信號(hào)的最大 值，然后調(diào)整采樣窗口位置，使采樣信號(hào)的最大值位于采樣窗口的中央位 置，由于接收信號(hào)的頻率是固定的，通過檢測(cè)相鄰兩個(gè)波峰位置信號(hào)點(diǎn)的 數(shù)值大小進(jìn)行采樣信號(hào)有效性的判斷，若判斷采樣信號(hào)無效則重新采樣， 若判斷采樣信號(hào)為有效，則把采樣信號(hào)縮短至合適的窗口寬度再進(jìn)行下一 步信號(hào)處理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述超聲波流量檢測(cè)方法，其特征在于所述采 用插值相關(guān)法和相關(guān)系數(shù)判斷法使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率達(dá)到1.25ns具體 操作為通過所述超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用線性插值方法，將采樣信號(hào)先經(jīng)過55 階FIR濾波后再進(jìn)行線性插值，相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)值之間插19個(gè)點(diǎn)，這樣分辨率就得到了進(jìn)一步提高，使時(shí)間分辨率達(dá)到1.25ns。
全文摘要
本發(fā)明屬于檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法，特別涉及一種高精度的流體流量超聲波檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。所述超聲波流量檢測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制部、電路部和輔助裝置。所述超聲波流量檢測(cè)方法采用改進(jìn)的時(shí)差法計(jì)算流體的速度；采用延遲窗口接收技術(shù)，通過脈寬檢測(cè)減小檢測(cè)中噪音對(duì)檢測(cè)精度的影響；采用插值相關(guān)法和相關(guān)系數(shù)判斷法使系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間的分辨率得到進(jìn)一步提高，達(dá)到了1.25ns，從而明顯地提高了超聲波流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。本發(fā)明中檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、測(cè)量穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，精度達(dá)到0.5％、靈敏度達(dá)到0.3mm/s，適宜于測(cè)量直徑為25mm～8m的塑料與金屬管道內(nèi)的各種液體的流量及流速。
文檔編號(hào)G01F1/66GK101464171SQ20071012520
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者葉瑋淵, 吳志敏, 蘇滿紅, 鐘江生 申請(qǐng)人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院