金天賀，胡志臣，胡志偉

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041； 2.空軍裝備部 駐北京地區(qū)第二軍事代表室，北京 100142)

0 引言

傳統(tǒng)液體流量計使用較為復(fù)雜，通常會對管路等設(shè)備產(chǎn)生損傷或阻礙液體流動，如孔板式、V椎式、渦街式、渦輪式、電磁式流量計。便攜無損式超聲波流量計采用外夾式超聲探頭形式，無需破壞管路系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)液體流量的測量，具有操作便利、無破壞性等明顯優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于石化傳輸、水電廠液體管路、發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)、大型機(jī)組潤滑油監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-3]。然而，超聲波流量計也存在著測量精度低、測量范圍小、準(zhǔn)確度和重復(fù)性差等缺點(diǎn)，大幅限制了其應(yīng)用范圍。因此，致力于提高外夾式超聲波流量計的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性具有十分重要的實(shí)際工程應(yīng)用價值[4-7]。

基于時差法的超聲波流量測量儀采用外夾式超聲波傳感器形式，通過測量超聲波在液體管路中傳輸?shù)哪?、順流時間差來實(shí)現(xiàn)液體流速的測量，進(jìn)而可以計算得到體積流量、質(zhì)量流量、能量流量及累計流量等[8-10]。超聲波傳輸時間的精確測量關(guān)系到超聲波流量計的測量精度和準(zhǔn)確度，傳統(tǒng)超聲波流量計的測量頻率低，無法滿足高精度測量的需要，更無法適應(yīng)測量管徑范圍廣的要求[11-17]。另外，普通超聲波流量計由于硬件電路設(shè)計不合理造成信號干擾噪聲大，進(jìn)一步降低了液體流量的測量精度。本系統(tǒng)采用了粗時間測量結(jié)合細(xì)時間測量的時間測量方法，設(shè)計了一種基于延遲線內(nèi)插法的FPGA高速率、高精度時間測量算法電路，最高可實(shí)現(xiàn)1 050 Hz的測量速率，保證了時間測量的高精度要求[18-19]。針對液體流量測量工況復(fù)雜多變、信號傳輸衰減、環(huán)境噪聲以及大功率設(shè)備電磁干擾導(dǎo)致測量精度和重復(fù)性降低，并嚴(yán)重影響測量穩(wěn)定性的問題，設(shè)計了低噪前置放大電路+VGA可調(diào)增益調(diào)節(jié)電路1和2的信號調(diào)理校準(zhǔn)模塊，其具備很強(qiáng)的正負(fù)增益可調(diào)性以及高信噪比輸出能力，增益可調(diào)范圍達(dá)到-23.5 dB～+116.5 dB，大幅提升了接收超聲波微弱信號的調(diào)理性能。另外，針對超聲波探頭安裝精度低的問題，還設(shè)計了多種探頭安裝導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)超聲波傳感器對位安裝精度低的問題，進(jìn)一步提高了流量測量的準(zhǔn)確度[20]。本文首先介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)和硬件系統(tǒng)的設(shè)計，然后給出了軟件設(shè)計方案，最后通過實(shí)驗測試驗證了所設(shè)計便攜無損式超聲波流量測試系統(tǒng)的優(yōu)異性能，該系統(tǒng)的成功研制可以為工業(yè)自動化測試技術(shù)領(lǐng)域提供新穎解決方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

所設(shè)計的便攜無損式超聲波流量測試系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)3個主要部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括變送器主機(jī)結(jié)構(gòu)和超聲波傳感器及其安裝導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)兩部分。系統(tǒng)硬件主要包括變送器主機(jī)硬件，由信號發(fā)射單元、信號接收單元、調(diào)理校準(zhǔn)單元、測控單元、測厚單元、數(shù)據(jù)存儲與通信單元、輸入輸出單元和電源模塊組成。系統(tǒng)軟件主要由儀器端嵌入式軟件和計算機(jī)端上位機(jī)軟件兩個部分組成，便攜式主機(jī)可以通過通訊接口直接與主控計算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多通道的超聲波流量測量，測試人員也可以通過按鍵與顯示操作界面直接操縱測量儀，實(shí)現(xiàn)流量測量功能。

圖1 便攜無損式超聲波流量測試系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

外夾式超聲波流量測量的原理如圖2所示，管道外夾一對超聲波傳感器，分別標(biāo)記為傳感器1和2，它們以固定角度安裝在包含流體的管道軸線的兩側(cè)。傳感器1發(fā)射超聲波脈沖后，沿流體逆流方向傳遞至傳感器2，超聲波在管內(nèi)逆流用時為t1；同理，傳感器2發(fā)射超聲波脈沖后，沿流體順流方向傳遞至傳感器1，超聲波在管內(nèi)順流用時為t2。由于液體流速的存在，導(dǎo)致超聲波在液體內(nèi)逆流速度與順流速度不同，從而導(dǎo)致逆流與順流時間存在差值，因此基于逆流與順流時差即可進(jìn)行液體流速的測量。

圖2 外夾式超聲波流量計測量原理

流體介質(zhì)流速v的計算公式為：

, (1)

式中，v為測量流體速度；M為超聲波反射次數(shù)，由超聲波傳感器安裝方式?jīng)Q定的常數(shù)；d為管徑，由現(xiàn)場實(shí)際被測管道決定的常數(shù)；γ為超聲波信號和流體之間的夾角，由超聲波傳感器和流體決定的常數(shù)；t1為超聲波管內(nèi)逆流傳輸時間；t2為超聲波管內(nèi)順流傳輸時間；△T為超聲波傳播逆流與順流時間差，△T=t1-t2。當(dāng)被測管道、流體介質(zhì)、超聲波傳感器，以及安裝方式均固定后，通過測量t1、t2這兩個超聲波測量信號傳輸總時間，即可計算得到當(dāng)前管道內(nèi)流體介質(zhì)的流速v。

為實(shí)現(xiàn)液體流量的便攜式測試，將系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計為手持式結(jié)構(gòu)，其尺寸為226 mm×213 mm×59 mm，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。該測試系統(tǒng)便于攜帶，總重量不超過2.5 kg，外觀精美、輕便，具有實(shí)現(xiàn)和維護(hù)上均簡單可靠、便于系統(tǒng)的升級、提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程的成品率等優(yōu)點(diǎn)，從而保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定和可靠。

圖3 變送器主機(jī)整機(jī)、探頭及其安裝導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)測量管徑范圍覆蓋10～4 000 mm，僅一種探頭無法滿足測量需要，故設(shè)計了2種超聲波傳感器進(jìn)行分段測量，分別為：1)2 MHz超聲波傳感器，測量范圍為10～32 mm；2)1 MHz超聲波傳感器，測量范圍為25～4 000 mm。探頭結(jié)構(gòu)效果如圖3(b)所示。為提高探頭對位安裝的精度，設(shè)計了專門的超聲波傳感器安裝導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示，主要由導(dǎo)軌體、刻度尺、導(dǎo)軌固定件、探頭固定座、旋鈕壓塊組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由便攜式變送器主機(jī)硬件構(gòu)成，采用模塊化的設(shè)計方式，將其各部分進(jìn)行功能劃分，各部分調(diào)試完成后再進(jìn)行功能集成，這有利于采用成熟的電路，降低系統(tǒng)調(diào)試的難度和縮短產(chǎn)品的研制周期。整機(jī)硬件系統(tǒng)原理如圖4所示，在變送器主機(jī)中，信號發(fā)射單元由發(fā)射功率調(diào)節(jié)電路和發(fā)射信號驅(qū)動電路組成，實(shí)現(xiàn)超聲波電信號輸出；信號接收單元主要由信號切換電路組成，實(shí)現(xiàn)超聲波電信號輸入和通道選擇；調(diào)理校準(zhǔn)單元由三級放大電路組成，包括前置放大電路、VGA可調(diào)增益放大電路1和2，主要實(shí)現(xiàn)微弱電壓信號的調(diào)理校準(zhǔn)功能；測控單元由FPGA時間測量算法電路和ARM_1嵌入式處理器組成，實(shí)現(xiàn)整個測量流程控制、高分辨率的電壓信號采集，以及高精度時間測量算法運(yùn)行；測厚單元由測厚電路組成，實(shí)現(xiàn)管段壁厚測量功能；外設(shè)單元通過FRAM保存采集數(shù)據(jù)、測量結(jié)果數(shù)據(jù)，并以ARM_2嵌入式處理器為核心運(yùn)行超聲波流量測量儀相關(guān)服務(wù)程序，一方面通過RS232、RS485、USB接口電路與外部主控計算機(jī)通信，另一方面通過內(nèi)部按鍵與顯示電路單元實(shí)現(xiàn)按鍵操作、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果顯示功能，還包括輸入/輸出電路，可實(shí)現(xiàn)輸入輸出接口功能；電源模塊為系統(tǒng)提供電能。

圖4 超聲波流量測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理圖

整個硬件系統(tǒng)的工作流程為：首先ARM1根據(jù)管道和測量介質(zhì)參數(shù)設(shè)置初始化測量參數(shù)(例如：測量頻率、增益電壓、窗口時間、比較電壓等)，使FPGA產(chǎn)生測量信號，同時啟動FPGA時間測量模塊開始計時，測量信號經(jīng)過發(fā)射電路驅(qū)動輸出到發(fā)射端超聲波傳感器；接收端超聲波傳感器接收到超聲波信號后進(jìn)行聲-電信號轉(zhuǎn)換，并將測量得到的電信號輸送至接收單元，再經(jīng)過信號調(diào)理單元處理后輸入比較器單元，比較電壓信號輸出到FPGA，F(xiàn)PGA門電路檢測到接收信號后，F(xiàn)PGA時間測量模塊停止計時；ARM1通過SPI讀取編碼器時間信息記錄本次渡越時間，再經(jīng)過算法處理將渡越時間轉(zhuǎn)化為流量測量值，最后通過串口傳遞到ARM2，并由ARM2將測量結(jié)果顯示或輸出。

發(fā)射單元主要由發(fā)射功率調(diào)節(jié)電路、發(fā)射信號驅(qū)動電路組成。功率控制電路原理如圖5所示，ARM1根據(jù)當(dāng)前所測管段口徑大小選擇相應(yīng)的發(fā)射功率，并通過IIC接口與AD5258進(jìn)行通信，AD5258接收到設(shè)置命令后通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器改變發(fā)射驅(qū)動電路的輸入信號電壓值，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號的功率控制。

圖5 發(fā)射功率控制電路原理

發(fā)射驅(qū)動電路原理如圖6所示，發(fā)射驅(qū)動電路的核心是LT1207，設(shè)計采用±15 V電壓供電，即：最大可以產(chǎn)生±15 V的差分測量信號輸出。FPGA發(fā)射的測量信號經(jīng)過功率控制電路后輸入發(fā)射驅(qū)動電路，通過驅(qū)動電路放大后，輸出到超聲波傳感器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲波測量信號。發(fā)射信號的功率主要由驅(qū)動芯片的瞬態(tài)電流和上限驅(qū)動電壓決定，LT1207CS放大器芯片內(nèi)置2路驅(qū)動器，最大驅(qū)動電壓為15 V，最大驅(qū)動電流可達(dá)1 200 mA，具備最高10 000 pF的電容負(fù)載驅(qū)動能力。

圖6 發(fā)射驅(qū)動電路原理

測量信號接收端的選擇則是通過接收單元信號切換電路來實(shí)現(xiàn)的，切換電路功能原理如圖7所示。信號切換電路設(shè)計采用高速模擬開關(guān)，型號為MAX4632CSE，其內(nèi)部具有2組2選1模擬開關(guān)，開關(guān)時間小于300 ns。ARM1控制信號輸入為高電平時，1路、2路模擬開關(guān)導(dǎo)通，3路、4路模擬開關(guān)斷開，信號調(diào)理電路接收上游探頭輸入信號；反之ARM1控制信號輸入為低電平時，3路、4路模擬開關(guān)導(dǎo)通，1路、2路模擬開關(guān)斷開，信號調(diào)理電路接收下游探頭輸入信號。

圖7 切換電路功能原理

信號調(diào)理校準(zhǔn)單元設(shè)計采用三級放大電路對超聲波微弱信號進(jìn)行放大，主要包括前置放大電路、VGA放大電路1、VGA放大電路2、模擬開關(guān)、ADC電路及比較器電路等，其功能原理如圖8所示。前置放大電路的核心為ADA4940運(yùn)放芯片，其具有低噪(3.9 nV/√Hz)、低失真(-122 dB THD～50 kHz，-96 dB THD-1 MHz)、軌到軌(-VS+ 0.1 V 至 +VS - 0.1 V)輸出的特點(diǎn)。

圖8 信號調(diào)理校準(zhǔn)單元功能原理圖

二級和三級放大電路系統(tǒng)設(shè)計原理如圖9所示。二級VGA可調(diào)增益放大器電路的核心為AD8331運(yùn)放芯片，AD8331具有1個-48 dB可調(diào)衰減器，以及兩種固定增益模式(低增益模式+24.5 dB、高增益模式+36.5 dB)，綜合可以實(shí)現(xiàn)-23.5～+36.5 dB的可調(diào)增益范圍。三級VGA可調(diào)增益放大器電路的核心為AD8338運(yùn)放芯片，該芯片具有0～+80 dB的壓控增益調(diào)節(jié)范圍。綜合二級和三級VGA可調(diào)增益放大器，系統(tǒng)設(shè)計的信號調(diào)理單元增益可調(diào)范圍是-23.5～+116.5 dB，由以往測試經(jīng)驗可知超聲波接收到的測量信號幅值范圍：10 μV～2 V，信號調(diào)理單元輸出信號幅值需要達(dá)到3 V，那么最大需要的增益幅度約為+110 dB，在信號調(diào)理單元壓控增益調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。

圖9 二級和三級放大電路功能原理圖

測控單元采用了ARM1+FPGA的雙核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)測量和控制功能。測控單元功能框圖如圖10所示，ARM1選用國產(chǎn)M3內(nèi)核的微處理器GD32F103VET6設(shè)計實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)核運(yùn)行速度可達(dá)72 MHz，處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快。其內(nèi)部還集成了很多的功能模塊，例如12 bits DAC、12 bits ADC、SPI、UART、IIC等，這有利于提升系統(tǒng)整體硬件設(shè)計的集成度，降低功耗，提升電路性能。

圖10 測控單元功能原理圖

FPGA高速率、高精度時間測量算法主要依靠關(guān)鍵核心芯片來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計選用型號為XC3S1400A-4FT256C的FPGA芯片，由ARM1控制發(fā)射測量信號，并同步啟動計時，調(diào)理合格的測量信號經(jīng)比較器進(jìn)入FPGA時間測量電路。FPGA時間測量電路主要由門電路和編碼器組成，當(dāng)門電路接收到測量信號后，即可停止計時，并將當(dāng)次測量結(jié)果編碼輸出到結(jié)果寄存器，等待ARM1讀取。其工作運(yùn)行主頻為100 MHz，由FPGA測量模塊時序仿真結(jié)果可知，從比較器信號輸入到測量模塊完成時間測量、置位測量有效信號輸出，總計耗時約10 μs。系統(tǒng)完成一次測量算法的總耗時可以控制在800 μs，為了應(yīng)對突發(fā)狀況處理，系統(tǒng)時序規(guī)劃預(yù)留150 μs的冗余，那么最終系統(tǒng)完成一次測量算法的總耗時可以有效控制在0.95 ms以內(nèi)，并可連續(xù)進(jìn)行，即測量速率可以達(dá)到1 050 Hz。

外設(shè)單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、按鍵操作、用戶參數(shù)設(shè)置、測量結(jié)果顯示、輸入/輸出和遠(yuǎn)程PC機(jī)通訊等功能，主要由ARM_2嵌入式處理器電路、存儲電路、顯示電路、按鍵電路、輸入/輸出電路和通信電路組成，其功能如圖11所示。

圖11 外設(shè)單元功能原理圖

外設(shè)單元通過FRAM保存采集數(shù)據(jù)、測量結(jié)果數(shù)據(jù)，并以ARM_2嵌入式處理器電路為核心運(yùn)行超聲波流量測量儀相關(guān)服務(wù)程序，一方面通過RS232、RS485、USB與外部主控計算機(jī)通信，另一方面通過內(nèi)部按鍵與顯示電路單元實(shí)現(xiàn)按鍵操作、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果顯示功能，還可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出接口功能。ARM2采用型號為GD32F103VET6的芯片作為主控芯片，其內(nèi)部功能如圖12所示，該芯片為國產(chǎn)M3內(nèi)核的32位ARM微處理器芯片。ARM2完成外設(shè)功能控制，通過GPIO連接按鍵板和顯示板，完成按鍵掃描及顯示控制；通過內(nèi)部UART、USB模塊連接RS232/RS485和USB電路，完成與遠(yuǎn)程PC機(jī)通信；通過內(nèi)部SPI連接RTD電路讀取PT1000溫度測量值，通過內(nèi)部IIC模塊連接FRAM電路進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時存儲；通過內(nèi)部ADC模塊連接電流/電壓輸入電路，實(shí)現(xiàn)電流、電壓信號值讀?。煌ㄟ^內(nèi)部Timer模塊輸出脈沖及PWM信號，實(shí)現(xiàn)頻率、電流信號輸出,通過GPIO連接繼電器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號輸出。

圖12 ARM_2嵌入式處理器內(nèi)部功能框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

便攜無損式超聲波流量測量系統(tǒng)軟件具備數(shù)據(jù)分析與處理、測厚、流量測試控制、按鍵控制等功能，并可以通過總線通訊協(xié)議與計算機(jī)平臺進(jìn)行通信控制。便攜無損式超聲波流量測量系統(tǒng)軟件功能主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、測控、數(shù)據(jù)分析與處理和其它5部分，如圖13所示。系統(tǒng)初始化完成整個測量系統(tǒng)的初始化工作，為數(shù)據(jù)的采集與測量分析作好準(zhǔn)備，主要包括如下兩個方面功能：系統(tǒng)狀態(tài)復(fù)位和系統(tǒng)參數(shù)加載。參數(shù)設(shè)置主要是對當(dāng)前需要測量工況的參數(shù)、測量結(jié)果的形式進(jìn)行設(shè)置，常規(guī)可以通過按鍵菜單進(jìn)行。測量控制是整個超聲波流量測量系統(tǒng)軟件的核心部分，主要包括4個功能：信號發(fā)射、數(shù)據(jù)采集、增益控制、計算傳遞。數(shù)據(jù)分析處理主要完成對FPGA傳遞的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析反饋，以及補(bǔ)償輸出，主要包括5個方面功能：有效性分析、反饋控制、修正補(bǔ)償、有效數(shù)據(jù)輸出和時域分析。其它模塊主要完成對測量結(jié)果的顯示、輸出、存儲、通訊和生成報告，主要包括五個方面功能：測量結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)存儲、輸出控制、通信接口和報告生成。

圖13 超聲波流量測試系統(tǒng)軟件功能框圖

FPGA軟件開發(fā)是基于XC3S1400A FPGA平臺開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)GPA軟件主要完成時間測量、測量信號發(fā)生、SPI通信等功能。系統(tǒng)上電初始化后，F(xiàn)PGA進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，SPI通信有效時，F(xiàn)PGA接收ARM1測量參數(shù)設(shè)置或者傳遞測量結(jié)果數(shù)據(jù)到ARM1,ARM1觸發(fā)發(fā)射信號有效時，F(xiàn)PGA按當(dāng)前測量參數(shù)設(shè)定發(fā)射指定頻率測量信號，并開始計時，接收到比較器輸出信號后停止計時，計算本次傳輸時間，并發(fā)送測量有效信號給ARM1。在測量過程中，首先由ARM嵌入式處理器完成對FPGA的參數(shù)設(shè)置，啟動測量；然后輸入FPGA測量信號，等待信號傳輸延時，延時到達(dá)后對比較器數(shù)據(jù)進(jìn)鎖存、編碼輸出，再將測量數(shù)據(jù)通過SPI總線傳遞給ARM_1嵌入式處理器進(jìn)行后續(xù)處理。FPGA主要負(fù)責(zé)對高速比較器輸出數(shù)據(jù)(采樣數(shù)據(jù))進(jìn)行實(shí)時處理，其信號處理原理如圖14所示。

圖14 FPGA軟件主流程圖

測量控制功能是整個超聲波流量測量系統(tǒng)軟件的核心部分，完成整個測量流程控制、信號調(diào)理控制、單次測量結(jié)果計算及輸出。測控軟件流程如圖15所示，系統(tǒng)上電初始化后，接收現(xiàn)場實(shí)際測量參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后則系統(tǒng)自動生成各個相關(guān)模塊的執(zhí)行參數(shù)并開始循環(huán)測量，一個測量循環(huán)主要包括：測量信號發(fā)射使能、信號延時等待、延時到達(dá)后選擇信號接收通道，使能執(zhí)行信號調(diào)理，對調(diào)理完成的信號進(jìn)行測量并傳遞測量數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析并反饋控制信號調(diào)理參數(shù)，最后將有效測量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲，并實(shí)時更新輸出狀態(tài)。

圖15 測控軟件流程圖

4 實(shí)驗結(jié)果與分析

為檢驗所設(shè)計的便攜無損式超聲波流量測試系統(tǒng)的性能，在某計量單位進(jìn)行了準(zhǔn)確度與重復(fù)性測試試驗。在流量實(shí)驗室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)表法流量計量裝置進(jìn)行了試驗，其準(zhǔn)確度為0.12%，所依據(jù)的規(guī)范為《JJG1030-2207超聲波流量計檢定規(guī)程》，環(huán)境溫度30.0±2.0 ℃，相對濕度<75%[21]。測量介質(zhì)為水，介質(zhì)溫度28.4～28.5 ℃，檢測管徑為DN800 mm，流量范圍為450～2 900。所檢測的相對示值誤差與重復(fù)性指標(biāo)如表1所示。

表1 流量測試系統(tǒng)準(zhǔn)確度與重復(fù)性

通過以上測試結(jié)果可得，所設(shè)計的測試系統(tǒng)符合JJG1030-2007規(guī)范準(zhǔn)確度0.5級的技術(shù)要求，具備較高的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性，準(zhǔn)確度低于±0.5%，重復(fù)性低于0.1%，性能優(yōu)異。

另經(jīng)過其他實(shí)驗測試與應(yīng)用驗證，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

1)流速測量范圍：0.01～25 m/s；

2)管道口徑范圍：10～4 000 mm；

3)流速重復(fù)性：0.15%×示值±0.005 m/s；

4)準(zhǔn)確度：±1%×示值±0.005 m/s(經(jīng)過標(biāo)定后±0.5%×示值±0.005 m/s)；

5)分辨率：0.025 cm/s；

6)測量速率：100～1 050 Hz。

5 結(jié)束語

本測試系統(tǒng)設(shè)計了便攜無損式超聲波流量測試系統(tǒng)，應(yīng)用FPGA高速率、高精度時間測量算法和VGA可調(diào)增益調(diào)節(jié)技術(shù)突破了高精度時間測量和微弱信號調(diào)理的技術(shù)瓶頸，另外還簡要介紹了其軟硬件與結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過計量實(shí)驗室對該測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)符合JJG1030-2007規(guī)范準(zhǔn)確度0.5級的技術(shù)要求，具備較高的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。而且，所設(shè)計的基于時差法的外夾式液體超聲波流量測試系統(tǒng)具有不損壞管道和便于攜帶操作的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以為發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)、發(fā)電廠管路、農(nóng)業(yè)灌溉、石油傳輸?shù)葴y試領(lǐng)域提供方便、快捷、無損、精確的測試技術(shù)支持，具有十分重要的工程應(yīng)用和科學(xué)研究價值。