基于TDC-GP22的超声波流量计量模块设计与开发.pdf

基于TDC-GP22 的超声波流量计量模块设计与开发 基于TDC-GP22 的超声波流量计量模块设计与开发 摘 要 目前，市面上的户用流量计普遍釆用机械式计量方法。传统的机械式计量方 法存在随使用时间的增加，压力损耗也逐渐增加的固有缺陷问题。基于超声波检 测技术的智能电子流量计，具有高精度、高灵敏度、宽量程比的优点，可实现远 程信息化管理，符合现在市场智能化需求的计量仪表发展趋势。本文的主要工作 包括： （1）本课题首先对国内外超声波流量计研究现状进行了充分调研，对常见 超声波测量方法、滤波算法进行了理论分析，对超声波换能器的结构、工作原理 及不同的声道安装方式做了详细介绍。本文设计超声波计量模块的硬件系统，实 现了一款基于TDC-GP22 高精度计时芯片的超声波流量计量模块。该计量模块采 用直接时间差法以获得超声波信号在管段内的顺逆流飞行时间差，通过公式换算 获得流体流量。模块硬件系统包括MCU 模块、计量模块、LDO 电源模块、LCD 显示模块、NB-IoT 通信模块以及数据存储模块。 （2 ）针对超声波计时芯片寄存器配置的性能优化进行实验研究。采用 GP22-EVA-KIT 评估系统，搭建实验室测试环境。在静水状态下（零流量），通 过改变寄存器3 和寄存器6 中的参数配置，进行了接收回波数实验和比较器offset 实验。通过方差、均方误差、平均绝对误差等评估指标对读取的 1000 个实验数 据进行分析。结果表明：寄存器3 中参数DELREL1 、DELREL2 、DELREL3 分 别设置为接收第7、8、9 三个回波的实验数据体现出了较低的标准差、较低的均 方误差以及较低的平均绝对误差，其值分别为：0.181 ，0.036 ，0.102 。offset 配 置实验中，在-8mV 到7mV 范围内的不同offset 值得到了相似的方差、平均绝对 误差以及均方误差，数据主要差别体现在飞行时间差的平均数值。根据实验结果， 在-8mV 到7mV 范围内的最佳offset 值为-4mV 。同时，为避免由于数据量大小 造成的实验误差，本文还进行了三组不同数据量的对比实验。在设置寄存器3 中 接收回波数为第7、8、9 个脉冲，寄存器6 中offset 值为-8mV 的条件下，分别 读取了 1042，5150 以及14335 个数据。实验结果表示，三组数据具有较好的指 标一致性。 （3）采用卡尔曼滤波对实验获得的原始数据进行卡尔曼滤波处理。实验结 I 浙江工业大学硕士学位论文 果表明：数据的方差值从0.131 降低至0.019，毛刺现象得到了较为明显的优化， 数值稳定性有较大改善。实验证明：卡尔曼滤波算法可有效降低超声波流量计量 模块的零点漂移。 关键词：超声波，流量计量，滤波算法，性能优化 II 基于TDC-GP22 的超声波流量计量模块设计与开发 DESIGN AND DEVELOPMENT OF ULTRASONIC FLOWMETER BASED ON TDC-GP22 ABSTRACT At present, the household meter on the market generally uses mechanical metering methods. The conventional mechanical metering method has an inherent defect problem that the pressure loss is gradually increased as the use time increases. The intelligent electronic flowmeter based on ultrasonic detection technology has the advantages of high precision, high