基于SOPC的超声波流量计的研制

　　0　引　　言

　　超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测量介质的平均流速和声波本身速度的叠加原理而设计,通过测量流速来反映流量大小。超声波流量计具有测量精度高、无压力损失、量程比宽、方便的在线监测和数字化管理等优点,特别适合大流量、大管径以及明渠、暗渠等测量场合。目前,超声波流量计正在向高精度、多功能、智能化、低功耗、低成本方向发展[1]。本文针对超声波流量计的研制,充分运用SOPC技术,提出了一系列提高测量精度的措施。

　　1　交叉声路超声波流量计的基本原理

　　根据超声测量原理,超声波流量计一般采用频差法、时差法或相位差法等多种方法加以实现。其中频差法和时差法克服了超声波声速随流体温度变化带来的误差,准确度较高,所以被广泛采用[2]。本文研究对象是采用交叉声路的时差法超声波流量计,其原理如图1所示。

　　测量时,交叉声路分时工作。声路12工作时,根据时差法原理,通过测得的超声波在流体中顺流与逆流的传播时间τ1和τ2,可计算出平均流速V1:

　　但是该式成立的前提条件是流体的流向平行于管轴线,所以V1的方向必然重合在管轴线上,如图1所示。可以看出,虽然实际上V1并不存在,然而V1的大小却完全是由实际平均流速V对声路12的投影线与管轴线的交点所决定的。显然,由于V和V1在声路12上的分量相等,于是:V1cosθ1= Vcos(θ1+α)(2)同理,当声路34工作时,测得超声波在流体中顺流与逆流的传播时间τ3和τ4后,可计算出平均流速V2:

　　分析式(5)可知,由于夹角θ1和θ2为已知,所以在根据式(1)和式(3)计算出V1和V2之后,即可求出夹角α。运

　　用三角函数公式对式(5)整理可得:α=arctan[(V2-V1)/(V2tanθ1+V1tanθ2)](6)

　　根据该式求出α后,代入式(2)或式(4)即可得到实际的平均流速V[3]。由图1可知V在管轴线上的分量V0=Vcosα,可以求出流量:式中:D、π均为常数,k为流量修正系数(根据流体力学,当雷诺数Re在某一范围内时,k为定值,其大小在标定过程中确定)

　　2　硬件系统方案设计

　　超声波流量计硬件电路包括信号转换电路,信号收发电路,信号调理电路,数据处理电路及输入输出电路,具体硬件电路原理如图2所示。

　　硬件电路的核心是图2中的FPGA,本文采用的是XILINX公司生产的Spartan-3E系列,具体型号选用的是XC3S500E,通过使用32位的嵌入式软核MicroBlaze及大量的IP,设计成能够完成数据处理能力及时序控制能力,同时还具有产生激励脉冲,控制超声波声路,鉴别脉冲有效性,记录超声波传播时间及阈值电压比较等一系列任务的SOPC,尽可能的简化了外围电路,减少了外界的干扰,使系统能够更精确的测量数据,提高系统稳定性和可靠性。