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基于TDC-GP22的超声波流量计量模块设计与开发

胡海霞  
【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。


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