楊 彬 ，秦 文 ，張阿真

（1.中環(huán)天儀股份有限公司，天津 300384；2.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過(guò)程中，流量檢測(cè)已成為檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分。隨著工業(yè)日益飛速的發(fā)展、新能源的開(kāi)發(fā)以及人類環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，如今流量測(cè)量不僅需要滿足生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定，還得滿足高精度、低誤差、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制的標(biāo)準(zhǔn)，從而使生產(chǎn)及測(cè)量達(dá)到最優(yōu)化的要求。

為了符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需要及測(cè)量要求，人們根據(jù)不同的測(cè)量原理，發(fā)明了多種不同類型的液體流量計(jì)。目前，由于超聲波液體流量計(jì)具有非接觸、檢測(cè)范圍廣、安裝簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、影響測(cè)量因素少、精度高、重復(fù)性好的特點(diǎn)，此類流量計(jì)在流量檢測(cè)領(lǐng)域正被廣泛應(yīng)用[1]。本文以單聲道液體流量計(jì)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款滿足工業(yè)要求的超聲波流量計(jì)。樣機(jī)采用復(fù)雜邏輯可編輯器（CPLD），搭建高速、精準(zhǔn)的數(shù)字邏輯電路，完成聲波信號(hào)的發(fā)射與回波信號(hào)的接收，不僅簡(jiǎn)化了主板上復(fù)雜的硬件電路，而且也達(dá)到了測(cè)量精度高的要求。

1 超聲波流量計(jì)的工作原理

超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)采用時(shí)差法的工作原理，通過(guò)測(cè)量聲波正逆程傳播的時(shí)間差，進(jìn)一步求出流體通過(guò)管節(jié)的流量。

如圖1所示，在管段兩側(cè)分別裝有同樣的超聲波換能器A和B，二者分別具有超聲波的發(fā)射與接收功能。換能器與管壁的夾角成β角，管道直徑為D，換能器之間的聲波傳播路程為L(zhǎng)，聲波在流體速度為0時(shí)的傳播速度為c，流體的流速為v。流體中聲波從A發(fā)送到B，稱為逆程發(fā)射，傳播時(shí)間為t1；聲波從B發(fā)送到A，稱為正程發(fā)射，傳播時(shí)間為t2。

圖1 超聲波流量計(jì)原理圖Fig.1 Schematic of ultrasonic flowmeter

聲波在流體中的實(shí)際傳播速度c0等于流體流速v與聲速c的矢量和，即：

根據(jù)上式可知超聲波正、逆程的傳播時(shí)間t1、t2為

式中：v為流體在管道內(nèi)的平均流速，與超聲波聲速無(wú)關(guān)，因此不會(huì)受到媒質(zhì)的種類、密度、壓力、溫度等因素的影響，從而提高了測(cè)量結(jié)果的精度[2]。

2 超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

在超聲波流量計(jì)系統(tǒng)中，影響其測(cè)量精度及穩(wěn)定性的核心因素是系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)[3]。經(jīng)過(guò)與當(dāng)前流量計(jì)的比較，和反復(fù)試驗(yàn)論證，設(shè)計(jì)了如圖2所示的超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)主要由主控芯片MCU與邏輯控制芯片CPLD及外圍電路構(gòu)成。單片機(jī)完成485通信、液晶顯示、集電極（OCT）輸出及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算；在CPLD芯片內(nèi)部，通過(guò)Verilog語(yǔ)言程序編寫，集成有多個(gè)高速、精準(zhǔn)的數(shù)字邏輯控制電路，包括超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)脈沖電路、順逆流切換器、分頻器、及一些高速計(jì)數(shù)器。CPLD的使用不僅省去了許多復(fù)雜的硬件電路，而且還配合單片機(jī)測(cè)量出較高精度的時(shí)間差[4]。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了模擬電路部分，包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率放大電路、發(fā)射與接收切換電路、自動(dòng)增益調(diào)節(jié)（AGC）電路、濾波選頻電路、過(guò)零和過(guò)電壓比較電路。

圖2 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure of ultrasonic flowmeter

2.2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，換能器的載波頻率選為1 MHz，發(fā)射信號(hào)采用低電壓多脈沖方式，經(jīng)CPLD內(nèi)的脈沖發(fā)射器，同時(shí)產(chǎn)生2組相位相反的方波，每組包含10個(gè)1 MHz的連續(xù)脈沖，幅值為3.3 V[5]。為了能夠驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射連續(xù)、高質(zhì)量、衰減強(qiáng)度小的超聲波，設(shè)計(jì)了如圖3所示的功率放大電路。

電路中采用了2片TC4427AE芯片，此芯片為雙通道MOSFET驅(qū)動(dòng)器，具有功率放大功能，允許最大峰值電流為1.5 A，電源電壓15 V，可以將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為電源電壓信號(hào)電平。D+、D-和U+、U-分別為驅(qū)動(dòng)正逆程發(fā)射的TTL電平脈沖信號(hào)，2組信號(hào)由CPLD輸出。2片驅(qū)動(dòng)器的相同輸入端的電壓極性相反，幅值大小相等，輸出端電路呈互補(bǔ)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，整個(gè)電路構(gòu)成1個(gè)BTL放大電路。由于換能器是容性負(fù)載，為了提高波形質(zhì)量，減小上升沿與下降沿的尖峰脈沖，輸出端負(fù)載采用8個(gè)IN4007二極管和200 Ω的分流電阻，放大前與放大后的脈沖信號(hào)如圖4所示。

圖3 發(fā)射信號(hào)功率放大電路Fig.3 Power amplification Circuit of transmitted signal

圖4 發(fā)射信號(hào)放大前后波形對(duì)比圖Fig.4 Waveform comparison of Emission signal before and after amplification

由于管道中流體的速度不是理想穩(wěn)定的，當(dāng)流速變化時(shí)，會(huì)造成回波信號(hào)幅度的變化，為了穩(wěn)定信號(hào)幅度、降低噪聲，在接收換能器接收到回波信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制，以提高回波信號(hào)的質(zhì)量[6]。自動(dòng)增益控制電路如圖5所示，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)初級(jí)放大后，進(jìn)入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)控制（AGC）功能塊。

圖5 自動(dòng)增益控制AGC結(jié)構(gòu)圖Fig.5 AGC system structure diagram

AGC功能塊由可控增益放大調(diào)節(jié)、選頻濾波、包絡(luò)檢波、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)內(nèi)部增益運(yùn)算、D/A轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)組成。每次自動(dòng)增益調(diào)節(jié)都需要將濾波后的接收信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，經(jīng)A/D采樣后，單片機(jī)讀取回波信號(hào)的最高幅值電壓，通過(guò)與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置的峰值電壓比較，并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得出相應(yīng)的AGC控制電壓。因可控增益放大器的供電電壓為+12 V，AGC端口控制電壓范圍為4 V～7 V，而D/A的參考電壓為2.5 V，故需將控制電壓再放大，可控增益放大器才可以進(jìn)行相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)[7]。在每次聲波發(fā)射和接收前，單片機(jī)都會(huì)根據(jù)上一次相同方向上回波信號(hào)的幅值變化，對(duì)回波信號(hào)的幅值進(jìn)行增益調(diào)節(jié)控制。由于AGC功能塊的作用，保證了回波信號(hào)幅值在流速發(fā)生變化時(shí)的穩(wěn)定性[8]。

2.3 信號(hào)邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)

在回波信號(hào)接收時(shí)，通常會(huì)遇到各種噪聲和干擾，如果不對(duì)其進(jìn)行處理，會(huì)造成測(cè)量結(jié)果精度降低。本超聲波流量計(jì)的精度等級(jí)要求為1級(jí)，由于流量計(jì)的精度與聲波傳播時(shí)間測(cè)量的精度息息相關(guān)，需要對(duì)回波信號(hào)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序邏輯進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)整體的邏輯控制時(shí)序如圖6所示，在聲波發(fā)射切換開(kāi)關(guān)的控制下，正程與逆程的發(fā)射交替進(jìn)行，互不影響。換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為10個(gè)方波脈沖，在CPLD內(nèi)設(shè)置邏輯控制器，在每次測(cè)量前邏輯控制器發(fā)射Begin信號(hào)，觸發(fā)逆程驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)射。為了避免回波接收完整，不疊波、錯(cuò)波，需要根據(jù)聲波傳播路程和流經(jīng)管道截面流量的范圍，計(jì)算聲波的傳播時(shí)間，從而預(yù)先設(shè)置各個(gè)時(shí)間參數(shù)[9]。每次測(cè)量，首次逆程發(fā)射時(shí)，打開(kāi)計(jì)數(shù)器KUP，進(jìn)行逆程計(jì)數(shù)。同時(shí)，打開(kāi)計(jì)數(shù)器K2，待K2溢出時(shí)，經(jīng)歷的時(shí)間為t0，進(jìn)行正程首次發(fā)射，并打開(kāi)計(jì)數(shù)器KDN。將回波的有效時(shí)間點(diǎn)到下一次發(fā)射的相隔時(shí)間分別記為t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1），為了提高每次測(cè)量結(jié)果的分辨率，同時(shí)也為了避免增加不必要的功耗，經(jīng)過(guò)數(shù)次實(shí)驗(yàn)得出，正逆程發(fā)射次數(shù)N為100次時(shí)效果最佳。

圖6 信號(hào)邏輯時(shí)序圖Fig.6 Logical sequence of signal

在正逆程回波接收時(shí)，需要進(jìn)行去噪、濾波，以保證回波的有效性。采用范圍門對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行時(shí)間范圍的控制，在回波最早到達(dá)時(shí)間的0.6倍處打開(kāi)接收通道，這樣可以防止發(fā)射脈沖帶來(lái)的干擾及其它干擾，在回波最晚到達(dá)時(shí)間的1.5倍處關(guān)閉接收通道，通道打開(kāi)的時(shí)間為回波信號(hào)接收的范圍門。另外，在過(guò)電壓比較與過(guò)零比較模塊中，設(shè)置門檻電壓為+1.2 V，當(dāng)檢測(cè)到高于+1.2 V的電平信號(hào)時(shí)，認(rèn)為此信號(hào)有效，否則視為噪聲。系統(tǒng)將過(guò)門檻電壓后的第一個(gè)過(guò)零時(shí)刻視為回波接收的有效點(diǎn)，CPLD會(huì)通過(guò)此點(diǎn)觸發(fā)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器K1、K3啟動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)K1、K3溢出，累計(jì)時(shí)間經(jīng)過(guò) t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1）時(shí)，立即觸發(fā)下一次發(fā)射。當(dāng)經(jīng)過(guò)100次測(cè)量后，CPLD將計(jì)數(shù)器KUP和KDN的計(jì)數(shù)值分別存入數(shù)據(jù)緩存器中，等待單片機(jī)的讀取。所以，根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)，令計(jì)數(shù)器KUP和KDN經(jīng)過(guò)的時(shí)間為T1和T2，則時(shí)間差

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)國(guó)家超聲波流量計(jì)檢定標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)流量計(jì)的指標(biāo)主要有3個(gè)：相對(duì)示值誤差、檢定點(diǎn)示值誤差及重復(fù)性[10]。令Qi為管道中流體在不同檢定點(diǎn)時(shí)的流量，Qij為被檢表流量，Qij′為標(biāo)準(zhǔn)表流量，ΔEij為第i檢定點(diǎn)第j次檢定時(shí)的相對(duì)示值誤差，ΔEi為檢定點(diǎn)示值誤差，δi為第i檢定點(diǎn)的重復(fù)性，待測(cè)參數(shù)的計(jì)算公式為

式中：n為第i檢定點(diǎn)的檢定次數(shù)，根據(jù)以上公式得出流量計(jì)的相對(duì)示值誤差為重復(fù)性為（δi）max。為驗(yàn)證此流量計(jì)能否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)稱重法對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，電子稱的分辨率為萬(wàn)分之一，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為10℃，環(huán)境濕度為25.0%RH，圖7為對(duì)DN250口徑標(biāo)定的現(xiàn)場(chǎng)圖片，檢定結(jié)果及數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖7 稱重法標(biāo)定DN250口徑現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Weighing method site of DN250

表1 DN250口徑檢定結(jié)果與數(shù)據(jù)Tab.1 Test results and data of DN250

表1的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，此超聲波流量計(jì)在DN250口徑下的示值誤差為-0.95%，重復(fù)性為0.13%，精度等級(jí)能夠達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。另外，還對(duì)DN80、DN100口徑進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均能達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明了此流量計(jì)的測(cè)量精度較高、性能良好，完全能夠滿足工業(yè)測(cè)量的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于CPLD技術(shù)的超聲波流量計(jì)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用原理，針對(duì)超聲波流量計(jì)的精度問(wèn)題，進(jìn)行深入研究。通過(guò)采用自動(dòng)增益調(diào)節(jié)控制（AGC）電路，對(duì)回波信號(hào)的增益進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，避免了因流速變化或其它原因造成的回波信號(hào)幅值不穩(wěn)的問(wèn)題。同時(shí)，采用CPLD搭建的數(shù)字邏輯時(shí)序電路，具有速度快、延遲性小、精確度高的優(yōu)勢(shì)。此樣機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定檢驗(yàn)，精度等級(jí)可以達(dá)到1級(jí)水平，完全能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]肖海.基于FPGA的時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)的研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D].成都：電子科技大學(xué)，2009：14.

[2]李志軍，趙剛，趙連環(huán)，等.基于DSP的時(shí)差法氣體超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（3）：17-19.

[3]許會(huì)，高榮艷，閆增添，等.基于雙MCU的高精度低成本超聲流量計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）：31-33.

[4]劉秀紅，天志宏，果紅軍.超聲波流量計(jì)的低功耗高精度時(shí)間測(cè)量方法[J].儀器儀表與傳感器，2009（10）：43-45.

[5]韓宇杰，楊舟，王紅，等.高速高精度超聲波流量計(jì)計(jì)數(shù)字處理模塊的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011（12）：145-148.

[6]Zhao Huichao，Peng Lihui，Tsuyoshi Takahashi，et al.Support vector regression-based data integration method for multipath ultrasonic flowmeter[J].IEEE Transactions on Instrumentation And Measurement，2014（12）：2717-2725.

[7]Ha Zhang，Gu Yu，Zhou Kangyuan，et al.A new design for ultrasonic gas flowmeter[J].The 6th World Congress on Intelligent Control and Automation，2006（6）：5223-5227.

[8]張緒偉，段培永，郭東東，等.基于AGC回路的超聲波流量測(cè)量新方法[J].自動(dòng)化儀表，2011，31（2）：48-51.

[9]何群.超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2004：41-44.

[10]全國(guó)流量容量計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JG1030-2007超聲流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2007.

發(fā)改委：實(shí)施增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力重大工程包

發(fā)改委8月4日下發(fā)關(guān)于實(shí)施增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力重大工程包的通知。通知要求，力爭(zhēng)用較短時(shí)間率先在軌道交通裝備、高端船舶和海洋工程裝備、工業(yè)機(jī)器人、新能源（電動(dòng)）汽車、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械、高端醫(yī)療器械和藥品等6個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，突破一批重大關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建立一批具有持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展能力的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，形成一批具有國(guó)際影響力的領(lǐng)軍企業(yè)。積極吸引社會(huì)投資加大投入力度，加快推進(jìn)重大工程實(shí)施。

通知明確，軌道交通裝備關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為譜系化動(dòng)車組研發(fā)、示范應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化；城市軌道交通車輛研發(fā)、示范應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化；軌道交通控制系統(tǒng)研發(fā)、示范應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化。高端船舶和海洋工程裝備關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為重大產(chǎn)品示范應(yīng)用、關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、智能船廠建設(shè)、重大產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)。工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為整機(jī)系列化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用及數(shù)字化生產(chǎn)方式改造、關(guān)鍵零部件研制及示范應(yīng)用、第三方檢驗(yàn)檢測(cè)能力建設(shè)。新能源（電動(dòng)）汽車關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為新能源汽車整車控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、新能源汽車車身和結(jié)構(gòu)輕量化、插電式深度混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、先進(jìn)動(dòng)力電池及其系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)化?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為重點(diǎn)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)化及示范應(yīng)用、關(guān)鍵零部件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、研發(fā)檢測(cè)能力建設(shè)。高端醫(yī)療器械和藥品關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)為高端醫(yī)療器械研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、高端藥品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

通知指出，積極引導(dǎo)各類金融機(jī)構(gòu)加大對(duì)重大工程實(shí)施的信貸支持。鼓勵(lì)企業(yè)以多種方式開(kāi)展產(chǎn)品融資租賃業(yè)務(wù)，通過(guò)履約擔(dān)保的方式降低業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)符合條件的實(shí)施企業(yè)在發(fā)行股票、企業(yè)債券、公司債、中期票據(jù)、短期融資券以及吸收私募股權(quán)投資等方面給予支持。并創(chuàng)新中央財(cái)政資金安排方式，探索獎(jiǎng)勵(lì)引導(dǎo)、資本金注入等方式，推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域突破關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證等公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)。以中央預(yù)算內(nèi)投資為引導(dǎo)，吸引社會(huì)資金進(jìn)入，逐步擴(kuò)大先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)投資基金規(guī)模，扶植創(chuàng)新發(fā)展的骨干企業(yè)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，促進(jìn)利益共享、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)。 來(lái)源：中國(guó)證券報(bào)