专利名称：一种超声波流量检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于检测领域，涉及一种超声波流量检测装置，特别涉及 一种高精度的流体流量超声波检装置。
背景技术：
在冶金、石油、化工、电力等工业企业及城市供水、排水、环保部门 都需对管道中流过的水、油、污水等流体进行准确计量。而传统4全测方法 和渴轮、涡街、孔板、电磁等种类流量检测装置或检测装置都需要将其传 感部分安装在管道内，并配一段安装管，不仅不便于安装维修，而且会引 起流体的压力损失、泄漏等问题，尤其对有毒、有腐蚀性、易爆及带放射 性介质流体的测量显得很不适应。因此，大力发展能在管道外就可准确、 可靠地测量管道中流量的超声波流量计势在必行。
超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体 的流速信息来测量流体流量的测量技术，它具有非接触式测量、测量精度 高、测量范围宽、安装维护方便等特点，特别适合用于临时管道流量、大 口径管道流量以及危险性流体流量的测量。近几年以来，由于数字信号处
理器(DSP)和超大规模集成电路技术的发展，以及以基于DSP为核心的超 声波流量计来广泛取代国内单片机为核心的超声波流量计，从而利用数字 信号处理的一些技术来改善了产品的测量精度。随着高速数字信号的处理 技术与微处理器技术的迅速发展，新型探头材料与工艺的研究，声道配置 及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了很大的进步，并且成为 了 一种重要的流量测量技术。
根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分为直接时差法、 时差法、频差法、波束偏移法、多普勒法、空间滤波法及噪声法等类型， 其中应用最广泛的是基于时差法的超声波流量计。但时差法一般用于大口 径管道的流速测量，由于流速的方程中含有声速C,它受温度的影响较大， 即C不是--个常数，从而影响了测量的准确度。
采用时差法时， 一般测量传播时间都是以收到的第 一个接收波作为计 时开关信号的。从发射超声波脉冲起至接收到的第 一个波为止的时间间隔 内，由于接收门是一直敞开着的，因此，外界各种干扰信号都很容易侵入， 从而影响测量的稳定性。而且在用相关法测量时差的过程中，由于千护u信号的侵入会增加相关运算量，从而降低装置的反应速度。
在超声波流量计中，对测量精度的要求是很高的。 一般的流体测量中， 在介质流速为lm/s,时差仅为几十个纳秒，要达到纳秒级的分辨率，现有 检测方法是很难实现的。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的，在检测过程中对流速的计算中含有声速
C,它受温度的影响较大，从而影响了测量的准确度；检测过程中接收门是 --直敞开着，外界各种干扰信号都很容易侵入，从而影响测量的稳定性和 在超声波流量检测中，对测量精度的要求很高，介质流速为lm/s，时差仅 为几十个纳秒，要达到纳秒级的分辨率，现有检测方法无法实现的技术问 题，本实用新型提供了一种超声波流量检测装置。
本实用新型解决现有技术中存在的技术问题，所采用的技术方案为， 提供一种超声波流量检测装置，所述超声波流量检测装置包括装置控制部、 电路部和辅助装置；所述装置控制部进一步包括用于进行装置控制、数 据存取及通信的单片机；用于进行信号滤波处理和相关运算的数字信号处 理器；用于对超声波换能器进行时序控制和对单片机与数字信号处理器之 间进行电平转换的现场可编程门阵列；所述电路部进一步包括切换电路、 自动增益控制电路、模拟/数字转换电路、数字/模拟转换电路；所述辅助 装置进一步包括存储部、输入构件、显示构件、电源和超声波换能器；
其中，所述现场可编程门阵列分别与所述输入构件和所述超声波换能器连 接，接受所述输入构件的输入指令并对所述超声波换能器进行时序控制； 所述数字信号处理器与所述存储构件双向连接，进行数据信息的交换；所 述可编程门阵列分别与所述单片机和所述数字信号处理器双向连接；所述 单片机与所述显示装置连接，通过所述显示装置进行数据信息的显示。
根据本实用新型的一优选实施例所述超声波换能器包括第一超声波 换能器和第二超声波换能器，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换 能器在所述现场可编程门阵列控制下轮流工作在发射与接收状态。
根据本实用新型的一优选实施例所述超声波流量检测系统采用多电 源供电，包括第一电源、第二电源和第三电源。其中，所述第一电源为所 述模拟电路部分供电、所述第二电源为昕述数字电路部分供电，所述第三 电源为所述功率放大电路部分供电。根据本实用新型的一优选实施例所述第 一 电源和所述第三电源采用外
接15v电压经稳压管1117获得10v及13v电压；所述第二电源采用DC-DC 模块，获得+ 5v电压。
根据本实用新型的 一优选实施例所述数字/模拟转换电路包括第 一数 字/模拟转换部和第二数字/模拟转换部；其中，所述第一数字/模拟转换部
采用16位的数字/模拟芯片把^^测得到的流量数字信号转换为电压信号，
作为4-20mA电流输出电路的输入电压信号；所述第二数字Z模拟转换部是
用于两级自动增益控制器放大电路中的增益控制电压信号，采用一个8位
的数字对莫拟芯片把接收到的超声波信号的幅值数字信号转换为电压信号，
以调整自动增益控制器的增益倍数。
根据本实用新型的一优选实施例所述模拟/数字转换电路将接收到的
超声波信号经过选频放大和两级自动增益控制放大后通过ADS807转换为
12位的数字信号,，
根据本实用新型的一优选实施例根据本发明的一优选实施例所述 自动增益放大电路采用了 AD603芯片，将换能器接收的超声波信号经过选 频放大后再放大到规定的幅值，以满足后续电路对信号处理的要求；所述 自动增益放大电路分为两级以提高AGC电路的工作范围。
根据本实用新型的一优选实施例所述装置包括双路报警信号电路， 所述报警信号电路是通过设定总流量和流量速度的上限值，对超过所述上 限值时进行报警。
根据本实用新型的一优选实施例所述装置包括无线模块，所述无线 模块与所述单片机双向无线连接，进行数据交换。
本实用新型的目的是为了提高超声波流量计的精度和准确度。鉴于此 实用新型的目的，本装置从硬件和软件两个方面进行改进。在硬件方面， 本装置采用DSP、 FPGA和MCU为核心部.分，DSP主要负责信号滤波和 相关算法的运算，FPGA主要实现精确的时序控制，MCU主要实现人机界 面、装置控制、数据存取及通信功能。这样从硬件方面提高运算的精度.、 缩短运算周期、提高装置的反应速度。在软件方面，首先，装置采用改进 的时差法，从而避免了装置受温度的影响，提高装置的测量精度；其次， 装置采用了延迟窗口接收技术，减小了噪声的千扰，减少了相关运算量， 从而缩短运算周期；最后，采用了插值相关法，使装置测量时间的分辨率得到进一步的提高，达到了 1.25ns，从而明显地提高了超声波流量计的精
度和准确度。本实用新型中检测装置具有体积小、功耗低、测量稳定、可
靠等特点，精度达到0.5%、灵敏度达到0.3mm/s，适宜于测量直径为
25mm ~ 8m的塑料与金属管道内的各种液体的流量及流速。
图l.本实用新型一种超声波流量检测装置及检测方法中超声波流量检 测装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明
超声波流量检测系统的工作原理为，第一超声波换能器104和第二超 声波换能器104，在现场可编程门阵列101的控制下，轮流工作在发射与 接收状态，谐振频率为1MHz。接收信号经过选频放大114滤除了部分千 扰信号，再由自动增益控制112放大后送往模拟/数字转换器110,以每次 25nS的转换速度实现模拟/数字转换，并存储到外部RAM115中。整个过 程的时序控制都由现场可编程门阵列101实现，确保了时序的准确性。为 了进一步提高运行的速度，数字信号处理器103首先将外部RAM中的数 据转存到内部RAM中，并根据其大小通过数字/模拟转换器107控制自动 增益控制放大器112的增益值，以实现自动增益控制，再对其进行55阶 F『R滤波。经过FIR滤波后的信号，其采样速率较低，时间分辨率为25nS, 导致测量精度不够高。为了提高精度，必须进行插值运算。本系统采取的 是线性插值，插值后时间分辨率为1.25nS。插值后的两组信号再经过相关 运算处理，便得出流体顺流和逆流的时间差，从而求出流体的流速。
以下对本实用新型超声波流量检测装置的结构进行说明可以参阅图1 本实用新型一种超声波流量检测装置及检测方法中超声波流量检测装置结 构示意图。如图1所示,本实用新型超声波流量^f佥测装置中电源部分采用了 双电源装置，即模拟部分和数字部分采用不同的电源供电，减少互相之间 的干扰。模拟电路电源采用外接15v电压经稳压管7810获得10v电压，这 样可以减少数字电路的干扰；数字电路电源采用DC-DC模块，可以提高 电源的效率，从而获得+ 5v电压，给数字电路供电，减少模拟电路带来的 干扰。
4-20mA电流环控制部分109,超声波流量系统将测得的流量参数转换 为4-20rnA电流输出，采用16位的数字/模拟转换芯片MAX541先4巴数字说明书第5/9页
信号转换为电压信号，然后再通过AD694把电压信号转换为4-20mA范围 内的电流信号。
双路报警信号部分是通过设定限定值来预警流量的信息，可以设定总 流量和流量速度的上限值，当超过上限值时就发出l艮警信号。
本超声波流量检测系统中的数字/模拟转换分为两部分，第 一数字/模 拟转换部108是釆用16位的D/A芯片MAX541才巴测得的流量数字信号转 换为电压信号，作为4-20mA电流输出电路的输入电压信号。第二数字/模 拟转换部07是用于两级自动增益控制器自动增益控制放大电路112中的 增益控制电压信号，釆用一个8位的数字/模拟芯片MAX550,把接收到的 超声波信号的幅值数字信号转换为电压信号，以调整自动增益控制器的增 益倍数。
本超声波流量检测系统中的模拟/数字转棟部分是将接收到的超声波 信号经过选频放大14和两级自动增益控制放大112后通过ADS807转换 为12位的数字信号。
本超声波流量检测装置测量流体流量的原理是采用时间差法，通过测 得超声波信号顺逆流的传播时间差来计算出流体的流量。因此，通过控制 信号来切换电子开关，以切换顺、逆超声波信号发射方向。
本超声波流量检测系统中选频放大114是采用带通滤波电路，中心频 率为超声波信号的频率1MHz,采用了 MAX436芯片，目的是为了消除噪 声千扰，这部分还具有放大信号的作用。
本超声波流量检测装置中自动增益器AGC放大部分112采用了 AD603芯片，作用是将换能器接收的超声波信号经过选频放大后再放大到 规'定的幅值，以满足后续电路对信号处理的要求。放大电路分为两级前 级放大器是高输入阻抗级，目的是为了与前级的选频放大电路的高阻抗相 匹配，后级放大电路的作用是将前级输出的信号放大到合适的幅值，以供 后续电路使用。
本超声波流量检测装置中显示部分采用20X2的字符型LCD屏106作 为显示装置，完成对装置各项数据、参数的实时显示，其中包括瞬时流量、 累计流量等信息的显示。
本系统的软件包括系统控制和数字信号处理两部分。控制部分的功能 包括人机界面的设计，数据存取和通信功能等；数字信号处理部分主要是 通过人机界面的参数设定进行采样信号的运算，从而得出最终的测量结果。超声波流量检测方法流程为。程序运行开始时先设置好相关的参数， 如管道直径、材质等，参数设置好运行后，单片机102首先发出控制信号， 控制现场可编程门阵列101输出超声波的发射信号，根据采集回的数据判
断信号的强度，从而通过自动增益控制器112控制采集信号的放大倍数， 调整好放大倍数后重新发射超声波信号。采集回的数据经过FIR滤波后根 据信号的完整性和干扰信号判断信号的质量，当质量不合格时重新返回到 发射信号程.序。^^测通过后经切换电^^改变超声波的发射方向，从而测得 另 一 方向的超声波信号。两组顺逆方向的信号数据测得后经过插值运算， 提高信号的分辨率，然后进行两组数据的相关运算，通过计算出的时间差 得到所需的流速和流量值，数据传到单片机102通过LCD液晶显示屏106 显示出来。 一个周期完成后继续下一组数据的测量，动态显示出流体的状
本超声波流量检测装置中输入部分采用4X4的16个按键的矩阵键盘 105，利用4X4矩阵扫描方式来判断键盘的输入状态，采用verilogHDL语 言对FPGA芯片进行编程来判断按键的状态。
为了达到超声波流量检测装置的的高精度检测性能，本实用新型从三 个方面进行改进来提高装置的检测精度。
一、采用改进的时差法
时差法测量的物理量是超声波在流体中传播的时间，通过测量顺流和 逆流的传播时间差来计算流体的流速。本装置采用的是V型安装，流体的 速度是v,超声波在静止流体中的速度为c，管径为D,发射角度为0。当 超声波顺流传纟番时，其速度为c + vsin汄从而顺流时的传播时间
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中td为声波在管壁和探头的传播时间以及电路延迟时间的总和。同样可 以得到逆流时的传播时间
<formula>formula see original document page 9</formula>
这样可得到两种情况下的传播时间差<formula>formula see original document page 10</formula> (3)
将式(3)进行简化运算，从而可得
<formula>formula see original document page 10</formula> (4)
式(4)由于流速的方程中含有声速c，它受温度的影响较大，即c不是 一个常数，从而影响了测量的准确度，因此采用这种一般的时差法时必须 要进行温度补偿。
而本实用新型超声波流量检测方法对现有技术进行改进，使对流速的 检测不受温度的影响，其原理如下
顺流时超声波在流体中的传播速度为
<formula>formula see original document page 10</formula>
逆流时超声波在流体中的传播速度为
<formula>formula see original document page 10</formula>
两式相减，并考虑到A/ = /、. -., ，可以得到
<formula>formula see original document page 10</formula>
上式中不含有声速C，只要测出逆流传播时间,。和A/即可.，本实用新 型超声波流量检测方法采用改进时差法避免了装置受温度的影响，从而提 高装置的测量精度。
二、采用延迟窗口接收技术
延迟窗口是在接收信号到达的前后才有效的一个时间窗口 ，窗口之外 的信号不予接收，这样可以减小噪声的千扰。为保证检测信号的有效性，必 须先要去掉接收端的干扰，本实用新型超声波流量检测方法中采用窗口和 脉宽检测方法。测量窗口的位置是根据人机对话输入的参数设置的，窗口 的设置限定了信号的接收范围，在一定程度上消除了噪声的干扰；脉宽检 测技术是根据接收信号频率已知，且其宽度比千扰脉冲宽得多的特点来分 辨出接收信号，以消除通常的幅度鉴别方法可能造成的误判。延迟窗口的设置方法是这样的单片机根据人机对话输入的参数(管 径、壁厚和流体介质)计算出窗口的起始位置，由于换能器探头的谐振频
率为lMHz,采样频率为40MHz，探头发射信号为6个周期，为了更好的 采到接收信号，采样宽度初次设定为800个信号点，即20个信号周期。为 了检测出窗口内的接收信号，使用了脉宽检测技术。正常的接收信号是一 串频率已知的脉冲，采用通常的幅度鉴别技术可能会产生误判，因为千扰' 脉沖也可能会有相当高的幅度，但它却没有合适的宽度。因此，本装置先 检测采样信号的最大值，然后调整采样窗口位置，使采样信号的最大值位 于采样窗口的中央位置。由于接收信号的频率是固定的，即1MHz,因此， 可以通过检测相邻两个波峰位置信号点的值的大小来判断采样信号的有效 性。若判断采样信号无效则重新采样，直到采到有效信号为止。若判断出 采样信号为有效，则把采样信号缩短至合适的窗口宽度再进行下一步信号 处理，从而减小运算量、加快运算速度。
三、采用插值相关法和相关系数判断法
本实用新型超声波流量检测方法:
<formula>formula see original document page 11</formula>(8)
ffA, a v分别为两组采样信号的均方差:
<formula>formula see original document page 11</formula>,称为相关系数，其公式为
上式经过筒化后得到公式
(9)
(10)
(11)<formula>formula see original document page 11</formula>相关系数r的重要特征为0<H<1， r为正值即正相关，,'为负值即负
相关。本装置采样的两组信号属于正相关，因此r值为正值,本装置时差测量的方法是通过判断两组采样信号的相关系数值来确定 的。装置采样回的信号经滤波和插值处理后，通过不断改变两组采样信号 的相位关系，同时计算出相关系数，最后，计算出当相关系数最大时两组 采样信号之间的相位差，从而得出时间差值。
在已知的两组采样信号中，相关系数公式中的分母项的值是不变的， 是不随两组采样信号在移相过程中而变化的。因此，在判断相关系数最大 值时，只需计算相关系数公式中的分子式项"]>,乂-(Zx,)(Z义)的值，然
后判断它的最大值即可。这样可以大大地减少装置的运算量，提高装置的 反应的速度。
本实用新型的目的是为了提高超声波流量计的精度和准确度。鉴于此 实用新型的目的，本装置从硬件和软件两个方面进行改进。在硬件方面，
本装置采用DSP、 FPGA和MCU为核心部分，DSP主要负责信号滤波和 相关算法的运算，FPGA主要实现精确的时序控制，MCU主要实现人机界 面、装置控制、数据存取及通信功能。这样从硬件方面提高运算的精度、 缩短运算周期、提高装置的反应速度。在软件方面，首先，装置采用改进 的时差法，从而避免了装置受温度的影响，提高装置的测量精度；其次， 装置采用了延迟窗口接收技术，减小了噪声的干扰，减少了滤波和相关运 算量，从而缩短运算周期；最后，采用了插值相关法，使装置测量时间的 分辨率得到进一步的提高，达到了 1.25ns,从而明显地提高了超声波流量 计的精度和准确度。本实用新型中检测装置具有体积小、功耗低、测量稳 定、可靠等特点，精度达到0.5%、灵敏度达到0.3mm/s,适宜于测量直径 为25mm ~ 4m的塑料与金属管道内的各种液体的流量及流速。
以上实施例中作为举例说明采用了装置提供的编辑指令完成编辑操作 及重新排版后的结果。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型 所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说 明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用 新型构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本实用 新型的保护范围。
权利要求1.一种超声波流量检测装置，其特征在于所述超声波流量检测装置包括控制部、电路部和辅助构件；所述控制部进一步包括用于进行控制、数据存取及通信的单片机(102)；用于进行信号滤波处理和相关运算的数字信号处理器(103)；用于时序控制及电平转换的现场可编程门阵列(101)；所述电路部进一步包括切换电路(111)、自动增益控制电路(112)、模拟/数字转换电路(110)、数字/模拟转换电路(107、108)；所述辅助装置进一步包括存储构件、输入构件(105)、显示构件(106)、电源和超声波换能器(104)；其中，所述现场可编程门阵列(101)分别与所述输入构件和所述超声波换能器(104)连接，接受所述输入构件的输入指令并对所述超声波换能器(104)进行时序控制；所述数字信号处理器(103)与所述存储构件双向连接，进行数据信息的交换；所述可编程门阵列(101)分别与所述单片机(102)和所述数字信号处理器(103)双向连接；所述单片机(102)与所述显示构件(106)连接，通过所述显示构件(106)进行数据信息的显示。
2. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述超声 波换能器(104)包括第一超声波换能器(1041)和第二超声波换能器(1042),所 述第一超声波换能器(1041)和所述第二超声波换能器(1042)在所述现场可 编程门阵列(101 )控制下轮流工作在发射与接收状态。
3. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述超声 波流量检测系统采用多电源供电.，包括第一电源、第二电源和第三电源，其中，所述第一电源为所述模拟电^^部分供电、所述第二电源为所述 数字电路部分供电，所述第三电源为所述功率放大电路部分供电。
4. 根据权利要求3所述超声波流量检测装置，其特征在于所述第一 电源和所述第三电源采用外接15v电压经稳压管1117获得10v及13v电压；所述第二电源采用DC-DC模块，获得+ 5v电压。
5. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述数字/ 模拟转换电路包括第 一 数字/模拟转换部(108)和第二数字'/模拟转换部 (107);其中，所述第一数字/模拟转换部(108)采用16位的数字/模拟芯片把检 测得到的流量数字信号转换为电压信号，作为4-20mA电流输出电路的输 》、电压信号；所述第二数字/模拟转换(107)部是用于两级自动增益控制器放大电路 中的增益控制电压信号，采用 一个8位的数字/模拟芯片把接收到的超声波 信号的幅值数字信号转换为电压信号，以调整自动增益控制器(l 12)的增益 倍数。
6. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述模拟/ 数字转换电路(110)将接收到的超声波信号经过选频放大(114)和两级自动 增益控制放大(112)后通过ADS807转换为12位的数字信号。
7. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述自动 增益放大电路(112)采用了 AD603芯片，将换能器接收的超声波信号经过 选频放大(114)后再放大到规定的幅值，以满足后续电路对信号处理的要求；所述自动增益放大电路(112)分为两级，以提高AGC电路的工作范围。
8. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述装置 包括双3M艮警信号电路，所述报警信号电路是通过设定净流量和流量速度 的上限值，对超过所述上限值时进行才艮警。
9. 根据权利要求1所述超声波流量检测装置，其特征在于所述装置 包括无线模块，所述无线模块与所述单片机(102)双向无线连接，进行数据 交换。
专利摘要本实用新型属于检测领域，涉及一种超声波流量检测装置，特别涉及一种高精度的流体流量超声波检测装置。所述超声波流量检测装置包括装置控制部、电路部和辅助装置。所述超声波流量检测装置在检测过程中采用改进的时差法计算流体的速度；采用延迟窗口接收技术，通过脉宽检测减小检测中噪音对检测精度的影响；采用插值相关法和相关系数判断法使装置测量时间的分辨率得到进一步提高，达到了1.25ns，从而明显地提高了超声波流量装置的检测精度和准确度。本实用新型中检测装置具有体积小、功耗低、测量稳定、可靠等特点，精度达到0.5％、灵敏度达到0.3mm/s，适宜于测量直径为25mm～4m的塑料与金属管道内的各种液体的流量及流速。
文档编号G01F1/66GK201145594SQ200720196130
公开日2008年11月5日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者叶玮渊, 吴志敏, 苏满红, 钟江生 申请人:深圳职业技术学院