時(shí)差法超聲波流量計的設計

0 引言

近年來(lái)，超聲波流量計由于其非接觸式、不受流體物理化學(xué)性質(zhì)影響的特點(diǎn)被廣泛應用。對時(shí)差式超聲波流量計而言，精確的測量超聲波傳播的時(shí)間是提高測量精度的關(guān)鍵，而在當前測時(shí)芯片精度已經(jīng)達到ps級別的基礎上，要提高測時(shí)精度的關(guān)鍵就在于準確判斷超聲波形到達的時(shí)刻。超聲信號的波形對準確判斷超聲波到達的時(shí)間點(diǎn)顯得尤為關(guān)鍵。在這個(gè)前提下本文設計了一款時(shí)差法超聲波流量計，并介紹了其硬件實(shí)現電路的設計思路。

1 測量原理

時(shí)差法是根據超聲波在流體中順流與逆流的傳播時(shí)間差與被測流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速的方法。其本質(zhì)是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動(dòng)的影響，在順流和逆流時(shí)測出的時(shí)間會(huì )不同，因此根據測出時(shí)間的差值就可以計算出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。其原理圖如圖1所示：逆流換能器和順流換能器相對于管道軸線(xiàn)的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線(xiàn)距離為L(cháng)，流體流速為v。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計工作原理

測量時(shí)，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發(fā)射超聲波端。超聲波的實(shí)際傳播速度c₀是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量vcosθ的和：

c₀=c±vcosθ    （1）

此時(shí)，順逆流傳播時(shí)間為：

    （2）

由上式可得到順逆流時(shí)間差為：

    （3）

由于一般超聲流量計最大可測流速在10m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1500m/s，遠遠大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時(shí)間差為：

    （4）

相應的，流體流速流量公式可以表示如下：

    （5）

    （6）

由式（5）可知超聲波順逆流傳播時(shí)間的測量精度直接影響到流速的測量精度和測量范圍。

2 系統硬件設計

系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

系統硬件主要包括電源模塊、信號收發(fā)模塊、信號處理模塊、計時(shí)芯片測量模塊、MSP430F1612微處理器模塊和系統數據采集模塊。下面簡(jiǎn)單的介紹幾個(gè)重要模塊的電路設計。

2.1 信號處理模塊電路設計

如圖2系統硬件結構圖所示，信號處理模塊包括一級放大、二級可控增益放大、帶通濾波、半波整流和閾值比較五個(gè)環(huán)節。其中一級放大和帶通濾波都是選用運算放大器OPA2725來(lái)搭建的，半波整流電路由二極管和電阻構成，二級可控增益放大器由壓控增益放大器VCA822來(lái)實(shí)現，這四個(gè)環(huán)節電路都比較簡(jiǎn)單，因此下文主要介紹閾值比較電路的具體結構。

閾值比較電路如圖3所示，其中比較器選用Ana-logDevices公司的AD8611芯片，其傳播延時(shí)為4ns。當輸入信號幅值高于參考電平時(shí)，輸出端QA輸出高電平，當輸入信號幅值低于參考電平時(shí)，輸出端QA輸出低電平。因此，將待處理的超聲信號接到信號輸入口，再加上一個(gè)參考電平，那么就能夠輸出一串比較后的方波信號。該方波信號的上升沿和下降沿時(shí)間即為超聲波信號的到達時(shí)間。

比較器所需的參考電平由閾值電路提供。閾值電路由儀表放大器和運放組合形成，儀表放大器為高精度儀表放大器IN114，其增益為，運放為高速運放OPA2604，運放將IN114的輸出電壓以跟隨的方式反饋到IN114的基準電壓上。

圖3 閾值比較電路

2.2 計時(shí)芯片測量模塊電路設計

通過(guò)信號處理模塊后得到的方波信號包含了系統需要記錄的時(shí)間信號，精確地記錄下這些時(shí)間點(diǎn)提供給微處理器做進(jìn)一步的分析、判斷及計算是系統流量測量的關(guān)鍵部分。因此必須要選取一塊測量精度高、反應速度快的計時(shí)芯片。本文選取了高精度時(shí)間測量芯片TDC-GP2實(shí)現計時(shí)，TDC-GP2具有高速脈沖發(fā)生器、停止信號使能和時(shí)鐘控制等功能，這些功能模塊使得它能滿(mǎn)足超聲波流量計測量的各方面要求。

由于這里需要TDC-GP2來(lái)測量方波信號的邊沿時(shí)刻，包括上升沿和下降沿，因此需要兩片時(shí)間芯片TDC-GP2來(lái)實(shí)現時(shí)間的測量，一片TDC-GP2設置為上升沿觸發(fā)，另一片設置為下降沿觸發(fā)，分別測量方波信號的前三個(gè)上升沿時(shí)刻和前三個(gè)下降沿時(shí)刻。其應用電路設計如圖4所示。

圖4 計時(shí)芯片測量電路