便携式超声波流量计的设计及实现

王 新 张 博

（唐山大方汇中仪表有限公司，唐山 063012）

流量计在工艺过程控制、贸易结算、管道测漏等方面应用广泛，为了保证流量计的准确性，需定期对其进行检定或校准。流量计的检定或校准常采用离线检测方式，即将流量计拆下送至相关实验室进行检测。但此种方式可能造成送检期间的工艺停产或流量监测缺失，而且某些环境全天运行无法将流量计拆下送检。此外，流量计在实验室标准环境下进行检定或校准。由于实验室管路状态与现场管路状态不一致，管路差异和二次安装会产生额外误差，造成流量计失准。因此，在线校准以不影响流量测量、校准方便快捷、与现场工况一致等特点受到企业和用户的青睐，其需求逐年上升[1-3]。在线校准一般采用便携式超声波流量计作为标准表，通过与现场流量计进行比对完成校准，便携式超声波流量计需定期送实验室进行量值溯源以保证准确度。

1 测量原理

超声波流量计以渡越时间法为测量原理，使用一对或多对换能器测量声道流速，每一对换能器之间的传播距离为Lp，位于上游的换能器A1与位于下游的换能器A2之间的连线与管道中轴线夹角为θ，如图1所示。上游换能器和下游换能器交替发送和接收超声波脉冲，按脉冲到达时间计算平均轴向流速。在任一给定瞬间，流动液体中的表观声速与同一液体静止状态下的声速之差同液体的瞬时流速成正比。因此，沿着声道朝两个方向发射超声信号，然后测量渡越时间差即可确定声道上液体的平均轴向流速。再结合管道直径D确定横截面积，即可计算出流过管道液体的体积流量。相关计算公式参照《封闭管道中流体流量的测量 渡越时间法液体超声流量计》（GB/T 35138—2017）。

图1 测量原理

便携式超声波流量计的换能器布置方式常采用夹装折射式，分为Z 方式、V 方式和N 方式（如图2 所示），按照声道数量分为径向单声道、径向多声道、弦向多声道和复合多声道等。V 方式和N 方式适用于小管径测量，通过增加传播时间来提高测量准确度。Z 方式适用于大管径和超声信号衰减较严重的管道，通过缩短传播距离以提高信号质量。

图2 换能器安装方式

2 方案设计

便携式超声波流量计主要用于现场管道流量的临时测量，因此设计时要考虑便携性、易用性和功能性。便携性指流量计结构设计要紧凑，主机和换能器外壳小巧、质量轻、方便拿取，整机采用电池供电和低功耗设计。易用性指管道参数设置简单，换能器拆装方便，信号调试便捷、快速，调试信息显示全面。功能性指要满足在线校准功能需求，具有多组管道参数存取、流量测量曲线显示、平均流量计算、测量数据存储和输出等功能。以此为基础，便携式超声波流量计主要由电池充电模块、电池电量监测模块、主处理器、数据存取模块、通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）通信模块、显示屏、按键、超声信号收发处理模块和换能器等组成，如图3 所示。

图3 便携式超声波流量计功能框图

2.1 硬件电路实现

便携式超声波流量计的主处理器采用MSP430 F5438A 单片机，晶振使用25 MHz 低温漂石英晶体振荡器，实现高速运算和处理。USB 通信使用CH376T芯片，可实现与计算机、USB 闪存盘和SD/TF 数据卡的通信。锂电池充电使用TP5100 芯片，共用USB 端口，可实现最大2 A 的充电电流，满足快速充电要求的同时减少外部端口数量，电路原理图如图4 所示。按键采用电容感应触摸方式，方便操作。显示屏使用JLX19296G-770 液晶屏，具有192×96 点阵，可实现曲线、多参数的同屏显示。采用外部扩展存储器FM31256 实现测量数据的存储。电量监测通过稳压和采样保持电路将电量信息传给单片机内部模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC），实现模拟量和数字量转换。超声波信号收发模块以Xilinx 的现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）为处理器[4]，建立超声信号产生电路、切换电路、滤波及放大电路，实现超声信号收发和传播时间的测量，最终将时间信息传至单片机进行处理，得到流速信息。换能器用于电信号和声波信号的相互转换。

图4 电池充电及USB 通信电路原理图

2.2 软件设计

便携式超声波流量计的嵌入式软件采用模块化功能设计，主程序和各模块子程序以中断的方式进行调用，最大限度地节省空载时间，提高软件运行效率，主程序空闲时进入低功耗模式以节省电池电量[5-6]。各功能模块主要包括按键模块、液晶显示模块、流速信息定时采集和处理模块、数据存储和提取模块、USB 通信模块及管道测量信息模块等。

以USB 通信模块为例，USB 硬件电路支持流量计作为主机与外部USB 闪存盘和内部TF 卡通信，也可将流量计设置为从机与计算机通信。CH376T 芯片通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）与单片机通信，作为主机时，单片机根据设定周期将测量数据存储至TF 卡。当需要与USB 闪存盘或计算机通信时，先将TF 卡中的数据读取至FM31256 存储器，然后CH376T 切换至相应模式从FM31256 中读取数据传输至USB 闪存盘或计算机。数据以.CSV 格式保存，可通过Excel 等软件读取和编辑。USB 模块不用时切换至低功耗模式等待下次唤醒。

3 实验室及现场试验

便携式超声波流量计在河北省矿用流量仪表检定站进行检定，准确度等级达到1.5 级，测量重复性不低于0.3%。将检定后的流量计与工业现场流量计进行比对试验，现场管径为DN1000，安装双声道插入式超声波流量计，流量计定期送国家水大流量计量站进行校准，准确度等级为1.0 级。通过测量比对，比对数据见表1，便携式超声波流量计与现场流量计测量数据误差大于1%，同时便携式超声波流量计具有流量曲线及平均流量计算功能，能够直观观测检测过程中的测量数据波动情况，无须现场抄数再计算，测量更便捷，满足现场测量要求。

表1 流量计现场比对测试数据

4 结语

本次设计的便携式超声波流量计采用单声道测量，准确度达到1.5 级，适用于现场准确度要求相对不高的流量计校准。为提高便携式超声波流量计的测量准确度，需提高时间测量电路的准确性、稳定性和抗干扰能力，同时采用多声道测量方式提升流量计的灵敏度和可靠性。