在工农业生产自动化过程中， 流量检测已成为检测技术的重要组成部分。 随着工业日益飞速的发展、新能源的开发以及人类环保意识的不断增强，如今流量测量不仅需要满足生产过程的稳定， 还得满足高精度、低误差、实时性强、能够实现远距离集中控制的标准，从而使生产及测量达到最优化的要求。

为了符合实际现场需要及测量要求，人们根据不同的测量原理，发明了多种不同类型的液体流量计。 目前，由于超声波液体流量计具有非接触、检测范围广、安装简单、便于维护、影响测量因素少、精度高、重复性好的特点，此类流量计在流量检测领域正被广泛应用。 本文以单声道液体流量计为研究对象， 设计了一款满足工业要求的超声波流量计。 样机采用复杂逻辑可编辑器（CPLD），搭建高速、精准的数字逻辑电路，完成声波信号的发射与回波信号的接收， 不仅简化了主板上复杂的硬件电路，而且也达到了测量精度高的要求。

1.超声波流量计的工作原理

超声波流量计的设计采用时差法的工作原理，通过测量声波正逆程传播的时间差，进一步求出流体通过管节的流量。

如图 1 所示，在管段两侧分别装有同样的超声波换能器 A 和 B，二者分别具有超声波的发射与接收功能。 换能器与管壁的夹角成 β 角，管道直径为D，换能器之间的声波传播路程为 L，声波在流体速度为 0 时的传播速度为 c，流体的流速为 v。 流体中声波从 A 发送到 B，称为逆程发射，传播时间为 t1；声波从 B 发送到 A，称为正程发射，传播时间为 t2。

声波在流体中的实际传播速度 c0 等于流体流速 v 与声速 c 的矢量和，即：

式中：v 为流体在管道内的平均流速，与超声波声速无关，因此不会受到媒质的种类、密度、压力、温度等因素的影响，从而提高了测量结果的精度。

2.超声波流量计的设计

2.1系统整体设计结构分析

在超声波流量计系统中，影响其测量精度及稳定性的核心因素是系统的电路设计。 经过与当前流量计的比较，和反复试验论证，设计了如图 2 所示的超声波流量计的系统结构。 本系统主要由主控芯片 MCU 与逻辑控制芯片 CPLD 及外围电路构成。单片机完成 485 通信、液晶显示、集电极（OCT）输出及数据的存储和计算； 在 CPLD 芯片内部， 通过Verilog 语言程序编写 ，集成有多个高速 、精准的数字逻辑控制电路， 包括超声波发射的驱动脉冲电路、 顺逆流切换器、 分频器、 及一些高速计数器。

CPLD 的使用不仅省去了许多复杂的硬件电路 ，而且还配合单片机测量出较高精度的时间差。 除此之外，系统还设计了模拟电路部分，包括驱动信号的功率放大电路、发射与接收切换电路、自动增益调节（AGC）电路、滤波选频电路、过零和过电压比较电路。

2.2系统主要电路设计

声波流量计的设计中， 换能器的载波频率选为 1 MHz，发射信号采用低电压多脉冲方式，经CPLD 内的脉冲发射器 ，同时产生 2 组相位相反的方波， 每组包含 10 个 1 MHz 的连续脉冲， 幅值为 3.3 V[5]。 为了能够驱动换能器发射连续、高质量、衰减强度小的超声波，设计了如图 3 所示的功率放大电路。

电路中采用了 2 片 TC4427AE 芯片， 此芯片为双通道 MOSFET 驱动器，具有功率放大功能，允许最大峰值电流为 1.5 A，电源电压 15 V，可以将 TTL电平信号转换为电源电压信号电平。 D+、D-和 U+、U-分别为驱动正逆程发射的 TTL 电平脉冲信号，2组信号由 CPLD 输出。 2 片驱动器的相同输入端的电压极性相反，幅值大小相等，输出端电路呈互补对称结构，整个电路构成 1 个 BTL 放大电路。 由于换能器是容性负载，为了提高波形质量，减小上升沿与下降沿的尖峰脉冲， 输出端负载采用 8 个 IN4007 二极管和 200 Ω 的分流电阻，放大前与放大后的脉冲信号如图 4 所示。

由于管道中流体的速度不是理想稳定的，当流速变化时，会造成回波信号幅度的变化，为了稳定信号幅度、降低噪声，在接收换能器接收到回波信号后， 对其进行相应控制， 以提高回波信号的质量。 自动增益控制电路如图 5 所示，接收信号经过初级放大后，进入自动增益调节控制（AGC）功能块。

AGC 功能块由可控增益放大调节、 选频滤波、包络检波、A/D 转换、 单片机内部增益运算、D/A 转换等环节组成。 每次自动增益调节都需要将滤波后的接收信号进行包络检波，经 A/D 采样后，单片机读取回波信号的最高幅值电压，通过与单片机内部设置的峰值电压比较，并进行相应运算，经 D/A 转换后得出相应的 AGC 控制电压。因可控增益放大器的供电电压为 +12 V，AGC 端口控制电压范围为 4 V～7 V，而 D/A 的参考电压为 2.5 V，故需将控制电压再放大，可控增益放大器才可以进行相应的增益调节。 在每次声波发射和接收前，单片机都会根据上一次相同方向上回波信号的幅值变化，对回波信号的幅值进行增益调节控制。由于 AGC 功能块的作用， 保证了回波信号幅值在流速发生变化时的稳定性。

2.3信号逻辑时序设计

在回波信号接收时，通常会遇到各种噪声和干扰，如果不对其进行处理，会造成测量结果精度降低。 本超声波流量计的精度等级要求为 1 级，由于流量计的精度与声波传播时间测量的精度息息相关，需要对回波信号的有效性进行检验，并对系统的时序逻辑进行相应设计。

系统整体的逻辑控制时序如图 6 所示，在声波发射切换开关的控制下，正程与逆程的发射交替进行， 互不影响。 换能器的驱动信号为 10 个方波脉冲，在 CPLD 内设置逻辑控制器，在每次测量前逻辑控制器发射 Begin 信号，触发逆程驱动信号的发射。为了避免回波接收完整，不叠波、错波，需要根据声波传播路程和流经管道截面流量的范围，计算声波的传播时间，从而预先设置各个时间参数。 每次测量，首次逆程发射时，打开计数器 KUP，进行逆程计数。 同时，打开计数器 K2，待 K2 溢出时，经历的时间为 t0，进行正程首次发射，并打开计数器 KDN。将回波的有效时间点到下一次发射的相隔时间分别记为t2i-1′和 t2i′（i=1，2，3，…，N-1），为了提高每次测量结果的分辨率， 同时也为了避免增加不必要的功耗，经过数次实验得出，正逆程发射次数 N 为 100 次时效果最佳。

在正逆程回波接收时，需要进行去噪、滤波，以保证回波的有效性。 采用范围门对回波信号进行时间范围的控制， 在回波最早到达时间的 0.6 倍处打开接收通道， 这样可以防止发射脉冲带来的干扰及其它干扰， 在回波最晚到达时间的 1.5 倍处关闭接收通道，通道打开的时间为回波信号接收的范围门。另外，在过电压比较与过零比较模块中，设置门槛电压为+1.2 V，当检测到高于+1.2 V 的电平信号时，认为此信号有效，否则视为噪声。 系统将过门槛电压后的第一个过零时刻视为回波接收的有效点，CPLD会通过此点触发相应的计数器 K1、K3 启动计数，当K1、K3 溢出，累计时间经过 t2i -1′和 t2i ′（i=1，2，3，… ，N-1）时，立即触发下一次发射。 当经过 100 次测量后，CPLD 将计数器 KUP 和 KDN 的计数值分别存入数据缓存器中，等待单片机的读取。 所以，根据以上理论设计，令计数器 KUP 和 KDN 经过的时间为 T1 和 T2，99则时间差 t=［（T1 -T2）-Σ（t2i′-t2i-1′）］/100。

i＝1

3.实验结果及分析

根据国家超声波流量计检定标准，检测流量计的指标主要有 3 个：相对示值误差、检定点示值误差及重复性。 令 Qi 为管道中流体在不同检定点时的流量，Qij为被检表流量，Qij′为标准表流量， Eij 为第 i 检定点第 j 次检定时的相对示值误差， Ei 为检定点示值误差，δi 为第 i 检定点的重复性，待测参数的计算公式为

表 1 的数据结果显示，此超声波流量计在 DN250口径下的示值误差为-0.95%，重复性为 0.13%，精度等级能够达到 1 级标准。 另外， 还对 DN80、DN100口径进行了标定，实验结果均能达到 1 级标准。 说明了此流量计的测量精度较高、性能良好，完全能够满足工业测量的要求。

4.结语

本文介绍了基于 CPLD 技术的超声波流量计的基本特点及应用原理，针对超声波流量计的精度问题，进行深入研究。 通过采用自动增益调节控制（AGC）电路，对回波信号的增益进行稳定调节，避免了因流速变化或其它原因造成的回波信号幅值不稳的问题。同时，采用 CPLD 搭建的数字逻辑时序电路，具有速度快、延迟性小、精确度高的优势。 此样机设计经过严格的标定检验，精度等级可以达到 1 级水平，完全能够满足工业现场的需求，具有广阔的市场前景。