基于時差法的液壓系統流量檢測方法 - 全文

1 引言

　　液壓系統具有結構輕小、傳動比大、運行平穩等優點，已經廣泛應用于各個工程領域。液壓系統在坦克裝甲車輛也得到了廣泛的應用，如坦克助力系統、坦克搶救車等。但是液壓系統一直存在故障率高、故障檢測定位困難的問題。常用的液壓系統振動信號診斷技術、油液分析診斷技術已無法準確獲得反映液壓系統運行狀態的流量、壓力等關鍵參數及其變化；傳統的液壓介入式測量方法，檢測接口有限，拆裝困難，而且影響系統的動態特性。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。通過測量系統流量實現液壓系統的實時監控，以保證液壓系統的正常運轉，同時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點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀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，由于電子技術的發展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量計也開始普及起來。經常有客戶詢問有關超聲波流量測量方面的問題。作為普及，我們將陸續撰寫一些專題文章，來介紹一些相關知識，以便推廣和普及超聲波流量技術的普及和提高。

　　時差法的測量原理為：超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關，據此可測量流量。在流速v的流動媒質的上、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,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發送的超聲脈沖時，超聲沿L的傳播速度為（c-v），其中c是靜止媒質中的超聲波速度。超聲波逆流由換能器l傳輸到換能器2的時間為：

　　將換能器的接發功能調換，換能器2發送超聲脈沖，換能器l接收超聲波順流由換能器2傳輸到換能器1的時間：

　　于是，逆流和順流的時間差為：

　　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）化簡為：

　　這樣，液體平均流速v就可由聲時差△t確定，即在c和x恒定的前提下，v與△t成線性。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、驅動發射、接收放大和過零比較等模塊組成。系統工作時，單片機先向CPLD發送指令，CPLD的內部PULSE功能模塊產生600 ns的驅動脈沖，同時CNT功能模塊開始計時：驅動脈沖進入驅動發射電路使超聲波換能器1產生超聲波信號；接收到的信號比較微弱，需通過由LF357和LM318組成的三級接收放大電路對其放大；將放大信號再通過由MAX903組成過零比較電路，從而為CLPD中的CNT功能模塊提供一個停止計時的高電平信號。將CNT中所計時的數據換算為時間，再由換能器2發送，換能器1接收。用CNT記錄另外一組時間數據，二者相減得到順流和逆流的聲時差△t,計算出系統的流速和流量。該檢測系統的關鍵是要得到準確的驅動脈沖和精確的順逆流時間。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個子模塊組成，如圖2所示。它們都是利用VHDL語言編寫，各自的功能：DECODER子模塊是將單片機的指令經過解碼傳輸給CPLD內部各個子模塊；CNT子模塊負責計時；PULSE子模塊產生驅動脈沖：CNT_SP子模塊產生CNT的停止計時信號；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。

　　其工作流程如下：通過單片機的P2端口使CPLD工作。由PULSE子模塊發送特定脈沖信號驅動超聲波換能器，CPLD在發射脈沖的同時CNT子模塊開始計時，接收放大電路接收信號并經過零比較后，向CPLD的PULSE_ACT口提供停止計時的高電平信號。然后CPLD就將CNT中計時的16位數據以8位的形式通過SEL_2,TRIBUFFER再通過P0口上傳給單片機。由單片機實現數據處理，最后上傳或直接顯示數據目。

　　3.2 CPLD中關鍵子模塊的功能仿真

　　由于檢測系統要求準確的驅動脈沖和精確的順逆流時間，因此PULSE和CNT兩個子模塊成為設計的關鍵模塊。這2個模塊設計的好壞直接影響整個系統性能，功能仿真和驗證設計的可行性。

　　3.2.1 PULSE子模塊仿真

　　根據頻譜分析，驅動脈沖寬度與傳感器頻率之間存在最佳關系式，當脈沖寬度滿足該關系式時，接收傳感器的接收信號質量最佳。該設計采用2.5 MHz的超聲換能器，經計算驅動脈沖最佳為600 ns.CPLD控制信號可以達到納秒級的控制精度。因此可產生控制信號，既克服了模擬器件抗干擾性差的缺點。CPLD產生控制信號再經光電隔離進入驅動電路。從而控制150 V高壓驅動超聲發射傳感器，驅動信號采用單脈沖驅動，如圖3所示，EMP240T100C5N用100 MHz時鐘晶體振蕩器發送600 ns驅動脈沖信號。

　　3.2.2 CNT子模塊仿真

　　超聲波測流量系統的關鍵技術是對超聲波在順流和逆流這兩種情況下的準確的計時。計時越精確所得時間差越準確，有利于后續流速和流量的計算。由于超聲波的頻率為2.5 MHz,所以需要計時器的工作頻率與之相適應。該系統設計的CPLD采用100 MHz的有源晶體振蕩器，時鐘周期達到10 ns.計時原理為：當CPLD從開始發送脈沖信號時開始計數，當接收到脈沖信號時停止計數。通過換算，將CPLD所計的數值換算成超聲波在液體中所用時間，從而實現計時功能，如圖4所示。