流量是过程控制的重要参数之一,在工业生产过程中,但凡涉及到流体的工业监视和控制,就离不开流量的测量。流量计广泛应用于石油工业、发电厂、化工行业、钢铁冶炼等领域,随着节能减排保护环境的观念深入人心,流量计也逐渐用于解决各种环境问题。作为新型流量计,超声波流量计以无压损、无机械部件、非接触式、精度高、智能化的优点得到了广泛关注。然而,目前超声波流量计主要适用于大管径流量测量,价格较高,一些小管径测量场合仍然使用传统流量计,难以实现仪表智能化。因此,开发一款成本低、性能好、适用于小管径的超声波流量计,对于促进国内工业流量计产品智能化、设备监测运行自动化起到积极作用,具有一定的工业价值。在此背景下,本文设计了一款低成本、低功耗、性能好的小管径超声波流量计,包括硬件设计、软件设计、样机试制与测试等。硬件采用STMicroelectronics公司的低功耗微控制器STM32L431和AMS公司推出的最新一代高精度时间测量芯片TDC-GP30,后者分辨率可达11ps,可实现空管检测和滴漏检测。除此以外,TDC-GP30还具有用于超声波流量计和温度测量的完全集成式模拟前端,可以简化电路、降低功耗。在设计通信接口时,本文结合了工业仪表设备间的通信特点,如传输方式多样、从设备扩展方便、通信协议简洁等。本设计保留了传统的工业4～20m A模拟输出,应用了RS485串行接口,添加了4G模块。其中4G模块通过MQTT协议将仪表数据上传到阿里云物联网平台,有助于企业运营设备数据实现效益提升。针对超声波信号在小管径中传播距离短、信号损耗大、信号质量差的问题,本设计采用π型管段,有效延长超声波的传播距离、减少损耗,获得良好的声波信号。软件设计部分通过编程实现了超声波流量计的测量、数据滤波、数据传输、参数管理以及人机交互等功能。其中,流量测量部分添加了温度补偿,避免声速受温度影响带来的测量误差。数据滤波部分提出了一种卡尔曼滤波和一阶滤波相结合的综合滤波方法,降低了时差数据的波动性,提高了对突变状态的跟进速度。数据传输部分以通信接口的设计为基础,应用了Modbus和MQTT协议,实现了多种输出方式和远程监测。参数管理部分将系统关键参数存储在微控制器的Flash中,并采用MD5消息摘要算法对参数进行校验,避免因参数出错导致无法测量、通信失败或系统死机等问题,提高了系统的鲁棒性。人机交互部分通过LCD显示屏和按键实现,基于Stem Win设计了简洁的用户界面,用户可对超声波流量计进行读值、校准、设置参数等操作。本设计搭建了测试环境,对小管径超声波流量计样机进行了测试。实验表明,本文设计的超声波流量计样机具备流量测量、数据传输、人机交互等功能。在理想状态下样机的准确度可达1.5级,与所购机械式霍尔流量计相比,样机的检测下限更低。