高精度超聲波流量計的設計

    在超聲波流量測量系統中，超聲波信號的傳播速度很快，那么超聲波傳播時(shí)間的測量就是系統精度的關(guān)鍵。目前的超聲波流量計適合用于大管徑的管道上，多用在工業(yè)領(lǐng)域，不適合城市供水行業(yè)對用戶(hù)供水量的計量。傳統的家用機械旋翼式水表始動(dòng)流量大、磨損快、維護麻煩，越來(lái)越不能適應節水的要求。針對上述問(wèn)題，本文提出了一種使用高精度時(shí)間轉換芯片設計的超聲波測量系統，可以實(shí)現對小管徑、低流速液體的精確測量。此系統硬件電路設計結構簡(jiǎn)單，并且超低功耗MSP430單片機的使用，降低了系統的功耗，提高了工作效率，增加了系統的穩定性和可擴展性，可用于對家用測量?jì)x表的開(kāi)發(fā)。

    1 超聲波流量計測量原理

    超聲波時(shí)差法測流量是通過(guò)測量超聲波信號在順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)最終求得流量的，其原理圖如圖1所示[1]。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計原理圖

    設流體的流速為v，聲速為c，管道直徑為D，聲路與流體流向間的夾角為α，則超聲波順流時(shí)傳播時(shí)間t₁為：

        （1）

    超聲波逆流的傳播時(shí)間t₂為：

       （2）

    傳播時(shí)間差Δt為：

        （3）    

    結合式（1）、（2）和（3），得到時(shí)差法的流速公式為：

       （4）

    只要測出順流和逆流傳播時(shí)間t₁和t₂就能求出速度v，進(jìn)而得到流量。這種方法不受溫度的影響，可以實(shí)現精確測量，高精度的時(shí)間測量模塊就是整個(gè)測量系統的關(guān)鍵。

    2 硬件系統設計

    2.1 硬件系統的總體設計

    系統的硬件設計是采用模塊化設計方法。MSP430單片機是系統的控制核心，并且對采集到的數據進(jìn)行處理。TDC-GP2計時(shí)模塊電路用來(lái)發(fā)射超聲波換能器驅動(dòng)信號、采集時(shí)間差，也是整個(gè)系統的核心。硬件系統結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統結構框圖

    整個(gè)系統的工作過(guò)程是：

    系統通電后，單片機完成自身和計時(shí)芯片的初始化設置。先給收發(fā)時(shí)序控制電路一個(gè)信號，來(lái)確定是順水測量還是逆水測量。MSP430給GP2發(fā)送一個(gè)命令信號，通知GP2的脈沖發(fā)生器發(fā)射信號，用來(lái)驅動(dòng)超聲波換能器，同時(shí)給GP2一個(gè)Start信號，計時(shí)開(kāi)始。超聲波信號通過(guò)管道中的流體后，接收換能器將接收到的信號修正后送到GP2的STOP引腳，計時(shí)結束。最后由GP2中的算術(shù)邏輯單元（ALU）算出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后，MSP430改變收發(fā)時(shí)序控制電路的方向，再進(jìn)行一次測量，又得到一個(gè)傳播時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間參數，通過(guò)時(shí)差法的原理公式就能夠算出管道中的流量。

    2.2 TDC-GP2芯片介紹與詳細設計

    （1）TDC-GP2芯片概述[2]

    TDC-GP2是ACAM公司推出的時(shí)間數字轉化芯片，利用現代化的純數字化CMOS技術(shù)，可以使時(shí)間的測量精度達到ps級。主要功能描述如下：

    ①可選的測量范圍

    芯片有兩個(gè)測量范圍。測量范圍1是雙通道測量，兩個(gè)Stop通道共用一個(gè)Start通道，每個(gè)通道典型分辨率50ps，測量范圍是0～1.8μs。測量范圍2是單通道測量，只有一個(gè)Stop通道對應一個(gè)Start通道，典型分辨率50ps，測量范圍是500ns～4ms。

    ②高速脈沖發(fā)生器

    通過(guò)對TDC-GP2內部寄存器的設置，就可以觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生頻率、相位和脈沖個(gè)數都可調的脈沖序列。高速振蕩器頻率用作基本頻率。這個(gè)頻率在內部被倍頻，還可以除以因子2～15進(jìn)行分頻，并可以產(chǎn)生1～15個(gè)脈沖序列，每個(gè)脈沖序列都可通過(guò)設置寄存器來(lái)調節其相位。通過(guò)發(fā)送代碼Start_Cycle來(lái)激活觸發(fā)脈沖發(fā)生器。觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供兩個(gè)輸出結果Fire1和Fire2。

    （2）TDC-GP2時(shí)間間隔測量原理

    TDC-GP2是以信號通過(guò)內部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行時(shí)間間隔測量的，它可以準確地記下信號通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數。圖3為T(mén)DC-GP2測量單元的主要構架圖。芯片測量單元由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數器的計數值可以計算出START信號和STOP信號之間時(shí)間間隔，測量范圍可達20位。

圖3 TDC-GP2測量單元構架圖

    圖3中，超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號，同時(shí)給TDC-GP2的Start引腳一個(gè)開(kāi)始信號，計時(shí)開(kāi)始。接收換能器收到信號后，給TDC-GP2一個(gè)Stop信號，計時(shí)結束。MSP430對TDC-GP2進(jìn)行寄存器配置以及時(shí)間測量控制，時(shí)間測量結果傳回給單片機進(jìn)行流量精確計算，并顯示結果。

    （3）基于TDC-GP2的高精度計時(shí)模塊設計

    TDC-GP2需要使用2個(gè)晶振，首先它需要一個(gè)2～8MHz的高速時(shí)鐘進(jìn)行校準用，在測量范圍2中TDC-GP2還需要高速時(shí)鐘信號作為時(shí)間測量單元的一部分；同時(shí)還需要一個(gè)321768kHz的基準時(shí)鐘來(lái)控制高速時(shí)鐘和進(jìn)行時(shí)鐘校準用，本文中的321768kHz的時(shí)鐘是由單片機提供。

    TDC-GP2與MSP430單片機的連接是通過(guò)TDC-GP2的SPI接口來(lái)實(shí)現的，單片機的I/O口與4線(xiàn)SPI兼容，所以本文用I/O口模擬SPI通信。進(jìn)行測量之前，需要單片機通過(guò)SPI接口對計時(shí)芯片寄存器進(jìn)行設置，然后對計時(shí)芯片初始化，之后就是對信號進(jìn)行計時(shí)操作。

    3 軟件系統設計

    軟件系統主要工作是對硬件系統采集的數據進(jìn)行處理、結果的顯示等。

    系統軟件主流程圖如圖4所示。系統上電后，首先執行對寄存器的設置，然后是初始化操作（包括初始化MSP430單片機與TDC-GP2），主程序進(jìn)入測量等待狀態(tài)。在這段過(guò)程中，一旦TDC-GP2接收到Start或者Stop信號，則說(shuō)明在進(jìn)行測量。之后判斷中斷，讀狀態(tài)寄存器。如果狀態(tài)寄存器顯示是溢出，則初始化重新測量；數據正常則讀數據、顯示，進(jìn)行下一次測量。

圖4 系統軟件主流程圖

    4 試驗結果及分析

    系統用于水流量的測量，試驗條件為：超聲波換能器工作頻率1MHz，超聲波以45°角入射，流速范圍為0.03～7.5m/s，管徑DN=50mm。

    （1）誤差分析

    流量計線(xiàn)性度E_l：

       （5）

    流量計某流量點(diǎn)處的重復性（Er）_i：

       （6）

    則儀表的重復性，Er=[（Er）i]max，即各個(gè)流量點(diǎn)重復性的最大值。其中，為流量點(diǎn)處的平均流量。

    流量計的精確度δ為：

       （7）    

    （2）實(shí)驗結果

    選取多點(diǎn)測量方式，每個(gè)流量點(diǎn)測三組數據，計算平均值，測量完成后，計算流量計精確度。選取一組數據，如表1。

    本文設計的流量計管徑是50mm，工程標準上的測量范圍是0.8～50m³/h。從上表可以看出，通過(guò)對不同流量點(diǎn)的多次測量，在正常測量范圍內，計算出流量計的精確度達到±1%，符合設計的要求。

    5 總結

    隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測流量的硬件與軟件方法都有很大的改進(jìn)。MSP430單片機的超低功耗和TDC-GP2的高精度計時(shí)的結合，使整個(gè)系統電路結構簡(jiǎn)單、精度高、軟件的升級和更新方便，可以廣泛用于水流量計量領(lǐng)域。

    參考文獻

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