時(shí)差法在檢測(cè)液壓系統(tǒng)流量中的應(yīng)用

1 引言

液壓系統(tǒng)一直存在故障率高、故障檢測(cè)定位困難的問(wèn)題。常用的液壓系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)診斷技術(shù)、油液分析診斷技術(shù)已無(wú)法準(zhǔn)確獲得反映液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的流量、壓力等關(guān)鍵參數(shù)及其變化;傳統(tǒng)的液壓介入式測(cè)量方法，檢測(cè)接口有限，拆裝困難，而且影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

而流量是液壓系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其大小直接反映液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀況的好壞。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)流量實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。因此檢測(cè)液壓系統(tǒng)的流量具有重要意義。

2 時(shí)差法測(cè)液壓流量原理

超聲波用于流體的流速測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表、電磁式流量?jī)x表相比它的計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元?dú)饧某杀敬蠓认陆?，使得超聲波流量?jī)x表的制造成本大大降低，超聲波流量計(jì)也開(kāi)始普及起來(lái)。經(jīng)常有客戶詢問(wèn)有關(guān)超聲波流量測(cè)量方面的問(wèn)題。作為普及，我們將陸續(xù)撰寫一些專題文章，來(lái)介紹一些相關(guān)知識(shí)，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。

時(shí)差法的測(cè)量原理為：超聲波在流體中的傳播速度與流體流動(dòng)速度有關(guān)，據(jù)此可測(cè)量流量。在流速v的流動(dòng)媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器1和換能器2,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

換能器l和換能器2間距為L(zhǎng),管道直徑為D,L與v之間的夾角為θ。當(dāng)換能器2接收換能器1發(fā)送的超聲脈沖時(shí)，超聲沿L的傳播速度為(c-v)，其中c是靜止媒質(zhì)中的超聲波速度。超聲波逆流由換能器l傳輸?shù)綋Q能器2的時(shí)間為：

將換能器的接發(fā)功能調(diào)換，換能器2發(fā)送超聲脈沖，換能器l接收超聲波順流由換能器2傳輸?shù)綋Q能器1的時(shí)間：

于是，逆流和順流的時(shí)間差為：

因?yàn)槌暡ㄔ谝后w里的傳播速度為1500m/s,而流體速度在不是很高的情況下，可認(rèn)為：

則式(3)化簡(jiǎn)為：

這樣，液體平均流速v就可由聲時(shí)差△t確定，即

在c和x恒定的前提下，v與△t成線性。再根據(jù)流量方程求出流量Q:

式中k為流速分布修正系數(shù)。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由超聲波換能器、CPLD功能、驅(qū)動(dòng)發(fā)射、接收放大和過(guò)零比較等模塊組成。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)先向CPLD發(fā)送指令，CPLD的內(nèi)部PULSE功能模塊產(chǎn)生600 ns的驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)CNT功能模塊開(kāi)始計(jì)時(shí)：驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)入驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路使超聲波換能器1產(chǎn)生超聲波信號(hào);接收到的信號(hào)比較微弱，需通過(guò)由LF357和LM318組成的三級(jí)接收放大電路對(duì)其放大;將放大信號(hào)再通過(guò)由MAX903組成過(guò)零比較電路，從而為CLPD中的CNT功能模塊提供一個(gè)停止計(jì)時(shí)的高電平信號(hào)。將CNT中所計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)換算為時(shí)間，再由換能器2發(fā)送，換能器1接收。用CNT記錄另外一組時(shí)間數(shù)據(jù)，二者相減得到順流和逆流的聲時(shí)差△t,計(jì)算出系統(tǒng)的流速和流量。該檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是要得到準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)脈沖和精確的順逆流時(shí)間。所以，選用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N,并配有100 MHz的晶體振蕩器，CPLD功能模塊是該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心。

3.1 CPLD功能模塊

CPLD功能模塊主要由6個(gè)子模塊組成，如圖2所示。它們都是利用VHDL語(yǔ)言編寫，各自的功能：DECODER子模塊是將單片機(jī)的指令經(jīng)過(guò)解碼傳輸給CPLD內(nèi)部各個(gè)子模塊;CNT子模塊負(fù)責(zé)計(jì)時(shí);PULSE子模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖：CNT_SP子模塊產(chǎn)生CNT的停止計(jì)時(shí)信號(hào);SEL_2用于選取將CNT中的16位數(shù)據(jù)的前8位和后8位;TRIBUFFER可將SEL_2選擇的8位數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。

其工作流程如下：通過(guò)單片機(jī)的P2端口使CPLD工作。由PULSE子模塊發(fā)送特定脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，CPLD在發(fā)射脈沖的同時(shí)CNT子模塊開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收放大電路接收信號(hào)并經(jīng)過(guò)零比較后，向CPLD的PULSE_ACT口提供停止計(jì)時(shí)的高電平信號(hào)。然后CPLD就將CNT中計(jì)時(shí)的16位數(shù)據(jù)以8位的形式通過(guò)SEL_2,TRIBUFFER再通過(guò)P0口上傳給單片機(jī)。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，最后上傳或直接顯示數(shù)據(jù)目。

3.2 CPLD中關(guān)鍵子模塊的功能仿真

由于檢測(cè)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)脈沖和精確的順逆流時(shí)間，因此PULSE和CNT兩個(gè)子模塊成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊。這2個(gè)模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能，功能仿真和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

3.2.1 PULSE子模塊仿真

根據(jù)頻譜分析，驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與傳感器頻率之間存在最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時(shí)，接收傳感器的接收信號(hào)質(zhì)量最佳。該設(shè)計(jì)采用2.5 MHz的超聲換能器，經(jīng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)脈沖最佳為600 ns.CPLD控制信號(hào)可以達(dá)到納秒級(jí)的控制精度。因此可產(chǎn)生控制信號(hào)，既克服了模擬器件抗干擾性差的缺點(diǎn)。CPLD產(chǎn)生控制信號(hào)再經(jīng)光電隔離進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路。從而控制150 V高壓驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射傳感器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用單脈沖驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，EMP240T100C5N用100 MHz時(shí)鐘晶體振蕩器發(fā)送600 ns驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

3.2.2 CNT子模塊仿真

超聲波測(cè)流量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)超聲波在順流和逆流這兩種情況下的準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)越精確所得時(shí)間差越準(zhǔn)確，有利于后續(xù)流速和流量的計(jì)算。由于超聲波的頻率為2.5 MHz,所以需要計(jì)時(shí)器的工作頻率與之相適應(yīng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CPLD采用100 MHz的有源晶體振蕩器，時(shí)鐘周期達(dá)到10 ns.計(jì)時(shí)原理為：當(dāng)CPLD從開(kāi)始發(fā)送脈沖信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)接收到脈沖信號(hào)時(shí)停止計(jì)數(shù)。通過(guò)換算，將CPLD所計(jì)的數(shù)值換算成超聲波在液體中所用時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵子系統(tǒng)的功能仿真，可以看出CPLD關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足整體設(shè)計(jì)的性能要求。在實(shí)際應(yīng)用中CPLD也可以滿足其設(shè)計(jì)要求。該超聲波液壓流量檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高，反應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)的功能。適用于較惡劣的環(huán)境，同時(shí)也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。