1、概述
液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)的流量、壓力等關鍵參數(shù)及其變化；傳統(tǒng)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(tǒng)的動態(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)運行狀況的好壞。通過測量系統(tǒng)流量實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實時監(jiān)控，以保證液壓系統(tǒng)的正常運轉，同時也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。因此檢測液壓系統(tǒng)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(yōu)點。和傳統(tǒng)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(shù)字化管理等等。近年來，由于電子技術的發(fā)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(jīng)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(xù)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(jù)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(fā)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?shù)綋Q能器2的時間為：
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?shù)綋Q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(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)設計
該檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計主要由超聲波換能器、cpld功能、驅動發(fā)射、接收放大和過零比較等模塊組成。系統(tǒng)工作時，單片機先向cpld發(fā)送指令，cpld的內部pulse功能模塊產(chǎn)生600ns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(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(shù)據(jù)換算為時間，再由換能器2發(fā)送，換能器1接收。用cnt記錄另外一組時間數(shù)據(jù)，二者相減得到順流和逆流的聲時差△t,計算出系統(tǒng)的流速和流量。該檢測系統(tǒng)的關鍵是要得到準確的驅動脈沖和的順逆流時間。所以，選用aher公司cpld的maxⅱ系列emp240t100c5n,并配有100mhz的晶體振蕩器，cpld功能模塊是該系統(tǒng)硬件設計的核心。
3.1cpld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(jīng)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(chǎn)生驅動脈沖：cnt_sp子模塊產(chǎn)生cnt的停止計時信號；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。
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(fā)送特定脈沖信號驅動超聲波換能器，cpld在發(fā)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(jīng)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)處理，zui后上傳或直接顯示數(shù)據(jù)目。
3.2cpld中關鍵子模塊的功能仿真
由于檢測系統(tǒng)要求準確的驅動脈沖和的順逆流時間，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(tǒng)性能，功能仿真和驗證設計的可行性。
3.2.1pulse子模塊仿真
根據(jù)頻譜分析，驅動脈沖寬度與傳感器頻率之間存在*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*。該設計采用2.5mhz的*，經(jīng)計算驅動脈沖*為600ns.cpld控制信號可以達到納秒級的控制精度。因此可產(chǎn)生控制信號，既克服了模擬器件抗干擾性差的缺點。cpld產(chǎn)生控制信號再經(jīng)光電隔離進入驅動電路。從而控制150v高壓驅動超聲發(fā)射傳感器，驅動信號采用單脈沖驅動，如圖3所示，emp240t100c5n用100mhz時鐘晶體振蕩器發(fā)送600ns驅動脈沖信號。
3.2.2cnt子模塊仿真
超聲波測流量系統(tǒng)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。計時越所得時間差越準確，有利于后續(xù)流速和流量的計算。由于超聲波的頻率為2.5mhz,所以需要計時器的工作頻率與之相適應。該系統(tǒng)設計的cpld采用100mhz的有源晶體振蕩器，時鐘周期達到10ns.計時原理為：當cpld從開始發(fā)送脈沖信號時開始計數(shù)，當接收到脈沖信號時停止計數(shù)。通過換算，將cpld所計的數(shù)值換算成超聲波在液體中所用時間，從而實現(xiàn)計時功能，如圖4所示。
4、結語
通過對關鍵子系統(tǒng)的功能仿真，可以看出cpld關鍵子系統(tǒng)的設計滿足整體設計的性能要求。在實際應用中cpld也可以滿足其設計要求。該超聲波液壓流量檢測系統(tǒng)具有精度高，反應快，抗*力強的功能。適用于較惡劣的環(huán)境，同時也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。