超声波流量计系统的探讨  九

6.2.2测试方案及数据

（一）测试方案

超声波流量计的测试主要分为实验室管道系统测试及学生公寓楼供暖管道流量测量两部分。

1) 实验室管道测试系统，

安装在管道的超声换能器为本系统所采用的超声换能器，位于下方的是大连源晟超声流量计所配套的超声换能器。实验室测试管道管径为DN76，管道材料是铁。通过自来水水龙头给管道系统供水，水由管道下方的入口流入，从上端的出口

流出，这样可以确保水流动时管道保持满管的状态，否则流量计的测量精度无法保证。实验中，通过调节水龙头开合的大小来实现对管道中水流速的控制并使用超声流量计进行对比测量。实验室环境下的水温为10℃，超声波在水中传播速度为1482m/s。

2) 学生公寓楼供暖管道流量测量， 该供暖管道包括一条主管道和两条分支管道。主管道规格为DN65，左侧支路管道规格为DN30，右侧管道规格为DN50。两个分支管道中的暖水汇集到主管道中流回。分别测量主管道和两个分支管道中的暖水流速，与实际管道暖水流速进行对比，来验证超声波流量计的准确性和实用性。但是，该处的流速无法进行人为控制，因此只能测量当前的暖水流速。咨询学校水电暖办公室得知，该管道中暖水水温为90℃，超声波在水中传播速度为1543m/s。

（二）测试数据

设计中采取求平均值的方法来消除随机误差，进一步提高系统准确度。每种条件下采集五次流量数据，去掉一个最高值去掉一个最低值，剩余三个测量值取平均值作为当前的流速。

1) 实验室管道系统测试数据

表6.2 为实验室管道测试系统测试数据。由于通过水龙头开合大小来控制流速大小，流速无法准确稳定控制。因此，数据样本之间并非等距间隔。实测流速与对比流速对比表明，该超声流量计能够准确稳定的测量管道流速，满足流量计测量的精度要求。

①对比流速为超声流量计测量值。

图6.3 为实验室管道系统测试中流速最快时采集到的超声回波信号数据波形。图中右侧部分顶部曲线为顺流回波信号波形，底部曲线为逆流回波信号波形。从图中我们可以看出相较于顺流信号，逆流信号有一定的延时。同时，水流会对超声回波信号的幅值产生一定的影响。

图6.3 实验室管道系统测试流速最快时超声波回波数据波形

2) 学生公寓楼供暖管道测试数据

表6.3 为公寓供暖管道测试数据。所测各管道暖水流速与咨询学校水电暖办公室所得实际流速基本相符。而且两个支路管道暖水流量之和基本与主干管路相吻合。

①分支一管径为DN50 管道。

②分之二为管径DN30 管道。

③该实际流速通过咨询学校水电暖办公室得知。

图6.4 为主管道测试时超声回波信号数据波形。图中右侧部分顶部曲线为顺流回波信号波形，底部曲线为逆流回波信号波形。同样，从图中我们可以看出相较于顺流信号，逆流信号有一定的延时。

6.3 总结

分析实验室测试管道及学生公寓楼供暖管道测试数据发现，该超声波流量计所测管道流速与实际流速吻合。该超声波流量计能够准确、快速的完成管道流速的测量。

1) 系统中F28335 工作频率为150MHz，结合其自身的浮点内核，能够快速完成傅立叶变换、广义互相关等复杂的数字信号处理算法，提高系统的实时性。

2) 通过TI 的高速运算放大器OPA842 将超声回波信号调理至0-5V，并采用TI 的高速AD 转换芯片ADS805 采集超声波信号，采样频率达20MHz，使系统保持较高的精度。

3) 通过F28335 的Xintf 接口扩展ADS805，并结合F28335 的DMA 高速读取AD 转换后的数据，省掉传统高速采集模块设计中的FIFO 单元，有效的压缩了设计成本。

4) 使用F28335 的ePWM 模块产生ADS805 的时钟信号和DMA 的同步信号，能够高速准确的完成AD 转换及数据读取，并通过GPIO 控制各模块的使能，无需扩展CPLD 等外部逻辑控制模块。不仅充分利用了F28335 丰富的片上外设资源而且大大的降低了设计成本。

5) 通过F28335 的Xintf 扩展LCD 液晶实时显示当前管道流速信息，测量结果直观的反馈给用户，同时LCD 与Xintf 之间加入TI 的SN74LVC245A 芯片，能够有效的消除LCD与ADS805 共用管脚而对超声信号采集产生的干扰。

6) 时延估计采用SCOT 加权的广义互相关算法，能够获得明显、突出的相关峰，有效避免幅值变化过大引起的周期误判现象，从而保证超声波流量计的准确性。综上，该超声波流量计具有测量速度快、准确性好、成本低等优点，能够准确，实时的测量管道流速，能够满足流量计测量的要求。

超声波流量计