时差法在检测液压系统流量中的应用

1 引言

液压系统一直存在故障率高、故障检测定位困难的问题。常用的液压系统振动信号诊断技术、油液分析诊断技术已无法准确获得反映液压系统运行状态的流量、压力等关键参数及其变化;传统的液压介入式测量方法，检测接口有限，拆装困难，而且影响系统的动态特性。

而流量是液压系统的重要参数之一，其大小直接反映液压系统运行状况的好坏。通过测量系统流量实现液压系统的实时监控，以保证液压系统的正常运转，同时也便于诊断液压系统故障。因此检测液压系统的流量具有重要意义。

2 时差法测液压流量原理

超声波用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。经常有客户询问有关超声波流量测量方面的问题。作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。

时差法的测量原理为：超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可测量流量。在流速v的流动媒质的上、下游分别放置超声波换能器1和换能器2,结构如图1所示。

换能器l和换能器2间距为L,管道直径为D,L与v之间的夹角为θ。当换能器2接收换能器1发送的超声脉冲时，超声沿L的传播速度为(c-v)，其中c是静止媒质中的超声波速度。超声波逆流由换能器l传输到换能器2的时间为：

将换能器的接发功能调换，换能器2发送超声脉冲，换能器l接收超声波顺流由换能器2传输到换能器1的时间：

于是，逆流和顺流的时间差为：

因为超声波在液体里的传播速度为1500m/s,而流体速度在不是很高的情况下，可认为：

则式(3)化简为：

这样，液体平均流速v就可由声时差△t确定，即

在c和x恒定的前提下，v与△t成线性。再根据流量方程求出流量Q:

式中k为流速分布修正系数。

3 硬件系统设计

该检测系统的硬件系统设计主要由超声波换能器、CPLD功能、驱动发射、接收放大和过零比较等模块组成。系统工作时，单片机先向CPLD发送指令，CPLD的内部PULSE功能模块产生600 ns的驱动脉冲，同时CNT功能模块开始计时：驱动脉冲进入驱动发射电路使超声波换能器1产生超声波信号;接收到的信号比较微弱，需通过由LF357和LM318组成的三级接收放大电路对其放大;将放大信号再通过由MAX903组成过零比较电路，从而为CLPD中的CNT功能模块提供一个停止计时的高电平信号。将CNT中所计时的数据换算为时间，再由换能器2发送，换能器1接收。用CNT记录另外一组时间数据，二者相减得到顺流和逆流的声时差△t,计算出系统的流速和流量。该检测系统的关键是要得到准确的驱动脉冲和精确的顺逆流时间。所以，选用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N,并配有100 MHz的晶体振荡器，CPLD功能模块是该系统硬件设计的核心。

3.1 CPLD功能模块

CPLD功能模块主要由6个子模块组成，如图2所示。它们都是利用VHDL语言编写，各自的功能：DECODER子模块是将单片机的指令经过解码传输给CPLD内部各个子模块;CNT子模块负责计时;PULSE子模块产生驱动脉冲：CNT_SP子模块产生CNT的停止计时信号;SEL_2用于选取将CNT中的16位数据的前8位和后8位;TRIBUFFER可将SEL_2选择的8位数据传输给单片机。

其工作流程如下：通过单片机的P2端口使CPLD工作。由PULSE子模块发送特定脉冲信号驱动超声波换能器，CPLD在发射脉冲的同时CNT子模块开始计时，接收放大电路接收信号并经过零比较后，向CPLD的PULSE_ACT口提供停止计时的高电平信号。然后CPLD就将CNT中计时的16位数据以8位的形式通过SEL_2,TRIBUFFER再通过P0口上传给单片机。由单片机实现数据处理，最后上传或直接显示数据目。

3.2 CPLD中关键子模块的功能仿真

由于检测系统要求准确的驱动脉冲和精确的顺逆流时间，因此PULSE和CNT两个子模块成为设计的关键模块。这2个模块设计的好坏直接影响整个系统性能，功能仿真和验证设计的可行性。

3.2.1 PULSE子模块仿真

根据频谱分析，驱动脉冲宽度与传感器频率之间存在最佳关系式，当脉冲宽度满足该关系式时，接收传感器的接收信号质量最佳。该设计采用2.5 MHz的超声换能器，经计算驱动脉冲最佳为600 ns.CPLD控制信号可以达到纳秒级的控制精度。因此可产生控制信号，既克服了模拟器件抗干扰性差的缺点。CPLD产生控制信号再经光电隔离进入驱动电路。从而控制150 V高压驱动超声发射传感器，驱动信号采用单脉冲驱动，如图3所