時(shí)差法在檢測液壓系統流量中的應用

1 引言

液壓系統一直存在故障率高、故障檢測定位困難的問(wèn)題。常用的液壓系統振動(dòng)信號診斷技術(shù)、油液分析診斷技術(shù)已無(wú)法準確獲得反映液壓系統運行狀態(tài)的流量、壓力等關(guān)鍵參數及其變化;傳統的液壓介入式測量方法，檢測接口有限，拆裝困難，而且影響系統的動(dòng)態(tài)特性。

而流量是液壓系統的重要參數之一，其大小直接反映液壓系統運行狀況的好壞。通過(guò)測量系統流量實(shí)現液壓系統的實(shí)時(shí)監控，以保證液壓系統的正常運轉，同時(shí)也便于診斷液壓系統故障。因此檢測液壓系統的流量具有重要意義。

2 時(shí)差法測液壓流量原理

超聲波用于流體的流速測量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統的機械式流量?jì)x表、電磁式流量?jì)x表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量?jì)x表的制造成本大大降低，超聲波流量計也開(kāi)始普及起來(lái)。經(jīng)常有客戶(hù)詢(xún)問(wèn)有關(guān)超聲波流量測量方面的問(wèn)題。作為普及，我們將陸續撰寫(xiě)一些專(zhuān)題文章，來(lái)介紹一些相關(guān)知識，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)，據此可測量流量。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,結構如圖1所示。

換能器l和換能器2間距為L(cháng),管道直徑為D,L與v之間的夾角為θ。當換能器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傳輸到換能器2的時(shí)間為：

將換能器的接發(fā)功能調換，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傳輸到換能器1的時(shí)間：

于是，逆流和順流的時(shí)間差為：

因為超聲波在液體里的傳播速度為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(xiàn)性。再根據流量方程求出流量Q:

式中k為流速分布修正系數。

3 硬件系統設計

該檢測系統的硬件系統設計主要由超聲波換能器、CPLD功能、驅動(dòng)發(fā)射、接收放大和過(guò)零比較等模塊組成。系統工作時(shí)，單片機先向CPLD發(fā)送指令，CPLD的內部PULSE功能模塊產(chǎn)生600 ns的驅動(dòng)脈沖，同時(shí)CNT功能模塊開(kāi)始計時(shí)：驅動(dòng)脈沖進(jìn)入驅動(dòng)發(fā)射電路使超聲波換能器1產(chǎn)生超聲波信號;接收到的信號比較微弱，需通過(guò)由LF357和LM318組成的三級接收放大電路對其放大;將放大信號再通過(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)停止計時(shí)的高電平信號。將CNT中所計時(shí)的數據換算為時(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)間數據，二者相減得到順流和逆流的聲時(shí)差△t,計算出系統的流速和流量。該檢測系統的關(guān)鍵是要得到準確的驅動(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功能模塊是該系統硬件設計的核心。

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(xiě)，各自的功能：DECODER子模塊是將單片機的指令經(jīng)過(guò)解碼傳輸給CPLD內部各個(gè)子模塊;CNT子模塊負責計時(shí);PULSE子模塊產(chǎn)生驅動(dòng)脈沖：CNT_SP子模塊產(chǎn)生CNT的停止計時(shí)信號;SEL_2用于選取將CNT中的16位數據的前8位和后8位;TRIBUFFER可將SEL_2選擇的8位數據傳輸給單片機。