基于双MCU的高精度低成本超声流量计

　　0 引言

　　随着超声波技术研究的不断深入，其应用变得越来越广泛，已成为工业检测系统中重要的测量仪表，其中时差法超声流量计尤为突出[1]。影响时差法 超声流量计测量精度的关键是传播时间的测量精度。传统的超声流量计精度低、功率损耗大。针对以上问题，该超声波流量计以 STC 单片机为核心，采用高速 CMOS 计数器74AC161 和133 MHz 高精度、高稳定度的频率振荡器 LTC6905CS5-133，从硬件电路设计角度出发，采用单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数的参考频率来提高系统的计时精度，进而提高系统精 度[2 -3]。

　　超声波在流体中的传播时间差是 ns 级的，要想准确测量比较有难度，采用环鸣时间差法进行流量测量[4]，避免测量微小数量级的时间差。实验结果表明: 该超声流量计具有高的准确度和可靠性，保证了测量精度，简化了电路设计，大大降低了设计成本，达到了预期设计要求。

　　1 时差法超声流量计的工作原理

　　超声波在流动的媒质中传播时，根据超声波传播速度的变化可以求出媒质的流速。在管壁两侧安装两个收发一体的超声波探头，利用超声波探头进行信号 的发送和接收，通过测量超声波自探头沿顺、逆流方向传播时的时间差计算流体流动速度。管道的几何尺寸和结构一旦确定，液体的流量便和流速呈一定的函数关 系，该函数关系可通过流量标定系统标定获得，流动速度由传播时间差法求得，即可求得流量[5]。但是顺流传播时间和逆流传播时间之差非常小，必须精确测量 出该数值才能准确得到流量值，可见准确测量传播时间是整个设计过程的最关键部分，直接决定了整台仪表的精度等级。所以该超声波流量计使用高精度计时模块， 采用环鸣法，来减小测量误差。

　　“环鸣法”的原理是: 当探头 A 发射声信号，B 接收声信号时，在 B 收到信号的时刻，通过接收信号再次触发 A 发射声信号，B 再次接收，这样如此循环往复发射、接收 N 次，测量 N 次传播的总时间 Σt₁. 再反向使 B 发射，A 接收。当 A 收到信号时，触发 B 再次发射，经过 N 次如此循环即可得到逆向发射总时间Σt₂. 顺逆流的两个总的时间作差，得到总时间差 ΣΔ_t.ΣΔ_t 经过累加后扩大了 N 倍，例如 N =1 000，Δt 增加 1 000 倍后，其数值是μs 级的，时间差的准确测量就变得更加容易精确。

　　2 超声流量计的硬件设计

　　超声流量计主要由变送器和主机 2 部分组成[6]。变送器是流量检测的核心部分，包括发射电路、阈值检测电、计时模块、过零检测、切换电路、接收处理等电路。主机是测量系统的控制核心，由 它实现人机界面交互，产生命令信号，进行数据计算、分析处理，数据存储、显示、键盘控制及整个仪器的控制协调工作。其系统整体框图如图 1 所示[7]。