時差法超聲波流量計的設計

0 引言

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

1 測量原理

時差法是根據超聲波在流體中順流與逆流的傳播時間差與被測流體流速之間的關系來求流速的方法。其本質是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動的影響，在順流和逆流時測出的時間會不同，因此根據測出時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的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線距離為L，流體流速為v。

圖1 時差法超聲波流量計工作原理

測量時，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發射超聲波端。超聲波的實際傳播速度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，順逆流傳播時間為：

    （2）

由上式可得到順逆流時間差為：

    （3）

由于一般超聲流量計zui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、信號收發模塊、信號處理模塊、計時芯片測量模塊、MSP430F1612微處理器模塊和系統數據采集模塊。下面簡單的介紹幾個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環節。其中一級放大和帶通濾波都是選用運算放大器OPA2725來搭建的，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來實現，這四個環節電路都比較簡單，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，其傳播延時為4ns。當輸入信號幅值高于參考電平時，輸出端QA輸出高電平，當輸入信號幅值低于參考電平時，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間即為超聲波信號的到達時間。

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 計時芯片測量模塊電路設計

通過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間信號，地記錄下這些時間點提供給微處理器做進一步的分析、判斷及計算是系統流量測量的關鍵部分。因此必須要選取一塊測量精度高、反應速度快的計時芯片。本文選取了高精度時間測量芯片TDC-GP2實現計時，TDC-GP2具有高速脈沖發生器、停止信號使能和時鐘控制等功能，這些功能模塊使得它能滿足超聲波流量計測量的各方面要求。

由于這里需要TDC-GP2來測量方波信號的邊沿時刻，包括上升沿和下降沿，因此需要兩片時間芯片TDC-GP2來實現時間的測量，一片TDC-GP2設置為上升沿觸發，另一片設置為下降沿觸發，分別測量方波信號的前三個上升沿時刻和前三個下降沿時刻。其應用電路設計如圖4所示。

圖4 計時芯片測量電路