超聲波流量計系統(tǒng)的探討  九

6.2.2測試方案及數(shù)據(jù)

（一）測試方案

超聲波流量計的測試主要分為實驗室管道系統(tǒng)測試及學(xué)生公寓樓供暖管道流量測量兩部分。

1) 實驗室管道測試系統(tǒng)，

安裝在管道的超聲換能器為本系統(tǒng)所采用的超聲換能器，位于下方的是大連源晟超聲流量計所配套的超聲換能器。實驗室測試管道管徑為DN76，管道材料是鐵。通過自來水水龍頭給管道系統(tǒng)供水，水由管道下方的入口流入，從上端的出口

流出，這樣可以確保水流動時管道保持滿管的狀態(tài)，否則流量計的測量精度無法保證。實驗中，通過調(diào)節(jié)水龍頭開合的大小來實現(xiàn)對管道中水流速的控制并使用超聲流量計進(jìn)行對比測量。實驗室環(huán)境下的水溫為10℃，超聲波在水中傳播速度為1482m/s。

2) 學(xué)生公寓樓供暖管道流量測量， 該供暖管道包括一條主管道和兩條分支管道。主管道規(guī)格為DN65，左側(cè)支路管道規(guī)格為DN30，右側(cè)管道規(guī)格為DN50。兩個分支管道中的暖水匯集到主管道中流回。分別測量主管道和兩個分支管道中的暖水流速，與實際管道暖水流速進(jìn)行對比，來驗證超聲波流量計的準(zhǔn)確性和實用性。但是，該處的流速無法進(jìn)行人為控制，因此只能測量當(dāng)前的暖水流速。咨詢學(xué)校水電暖辦公室得知，該管道中暖水水溫為90℃，超聲波在水中傳播速度為1543m/s。

（二）測試數(shù)據(jù)

設(shè)計中采取求平均值的方法來消除隨機誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)準(zhǔn)確度。每種條件下采集五次流量數(shù)據(jù)，去掉一個最高值去掉一個最低值，剩余三個測量值取平均值作為當(dāng)前的流速。

1) 實驗室管道系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

表6.2 為實驗室管道測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。由于通過水龍頭開合大小來控制流速大小，流速無法準(zhǔn)確穩(wěn)定控制。因此，數(shù)據(jù)樣本之間并非等距間隔。實測流速與對比流速對比表明，該超聲流量計能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定的測量管道流速，滿足流量計測量的精度要求。

①對比流速為超聲流量計測量值。

圖6.3 為實驗室管道系統(tǒng)測試中流速最快時采集到的超聲回波信號數(shù)據(jù)波形。圖中右側(cè)部分頂部曲線為順流回波信號波形，底部曲線為逆流回波信號波形。從圖中我們可以看出相較于順流信號，逆流信號有一定的延時。同時，水流會對超聲回波信號的幅值產(chǎn)生一定的影響。

圖6.3 實驗室管道系統(tǒng)測試流速最快時超聲波回波數(shù)據(jù)波形

2) 學(xué)生公寓樓供暖管道測試數(shù)據(jù)

表6.3 為公寓供暖管道測試數(shù)據(jù)。所測各管道暖水流速與咨詢學(xué)校水電暖辦公室所得實際流速基本相符。而且兩個支路管道暖水流量之和基本與主干管路相吻合。

①分支一管徑為DN50 管道。

②分之二為管徑DN30 管道。

③該實際流速通過咨詢學(xué)校水電暖辦公室得知。

圖6.4 為主管道測試時超聲回波信號數(shù)據(jù)波形。圖中右側(cè)部分頂部曲線為順流回波信號波形，底部曲線為逆流回波信號波形。同樣，從圖中我們可以看出相較于順流信號，逆流信號有一定的延時。

6.3 總結(jié)

分析實驗室測試管道及學(xué)生公寓樓供暖管道測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該超聲波流量計所測管道流速與實際流速吻合。該超聲波流量計能夠準(zhǔn)確、快速的完成管道流速的測量。

1) 系統(tǒng)中F28335 工作頻率為150MHz，結(jié)合其自身的浮點內(nèi)核，能夠快速完成傅立葉變換、廣義互相關(guān)等復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法，提高系統(tǒng)的實時性。

2) 通過TI 的高速運算放大器OPA842 將超聲回波信號調(diào)理至0-5V，并采用TI 的高速AD 轉(zhuǎn)換芯片ADS805 采集超聲波信號，采樣頻率達(dá)20MHz，使系統(tǒng)保持較高的精度。

3) 通過F28335 的Xintf 接口擴展ADS805，并結(jié)合F28335 的DMA 高速讀取AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，省掉傳統(tǒng)高速采集模塊設(shè)計中的FIFO 單元，有效的壓縮了設(shè)計成本。

4) 使用F28335 的ePWM 模塊產(chǎn)生ADS805 的時鐘信號和DMA 的同步信號，能夠高速準(zhǔn)確的完成AD 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取，并通過GPIO 控制各模塊的使能，無需擴展CPLD 等外部邏輯控制模塊。不僅充分利用了F28335 豐富的片上外設(shè)資源而且大大的降低了設(shè)計成本。

5) 通過F28335 的Xintf 擴展LCD 液晶實時顯示當(dāng)前管道流速信息，測量結(jié)果直觀的反饋給用戶，同時LCD 與Xintf 之間加入TI 的SN74LVC245A 芯片，能夠有效的消除LCD與ADS805 共用管腳而對超聲信號采集產(chǎn)生的干擾。

6) 時延估計采用SCOT 加權(quán)的廣義互相關(guān)算法，能夠獲得明顯、突出的相關(guān)峰，有效避免幅值變化過大引起的周期誤判現(xiàn)象，從而保證超聲波流量計的準(zhǔn)確性。綜上，該超聲波流量計具有測量速度快、準(zhǔn)確性好、成本低等優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確，實時的測量管道流速，能夠滿足流量計測量的要求。

超聲波流量計