新型时差法超声波流量计

　　0　引言

　　超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点,广泛地应用于液体和气体的计量[1]。

　　超声波流量测量按原理分为时差法、多普勒效应法[2]、相关法、噪声法、波束偏移法等,其中时差法的应用最广泛。时差法又可以细分为单脉冲和多脉冲法,目前由于传统设计思想的限制,多脉冲法很少被使用,但多脉冲法对于提高精度和增强抗干扰等方面有很好的作用[3]。介绍一种多脉冲时差法超声波流量计的设计,并详细说明了如何从多脉冲解决方案中实现时间差的测量[4]。

　　1　时差法超声波流量计原理简介

　　时差法测量的基本原理如图1所示。

　　设流体的流速为v,声速为c,管道直径为D,管道与超声波传播方向的夹角为θ,则超声波顺流时的传播时间为

　　2　系统硬件设计

　　系统硬件结构可以分成5个模块:MCU模块、CPLD模块、时间数字转换模块、超声波收发模块和输入输出模块。系统硬件结构框图如图2所示。

　　2·1　模块介绍与芯片选择

　　MCU模块由MSP430F155及其片内的多功能模块组成,完成数据采集、数据处理、系统调控等主要工作。MSP430F155是16位超低功耗单片机,拥有丰富的片上外围芯片,系统无需外扩ADC、DAC、看门狗等外围芯片[5],提高了系统的稳定性与可靠性。

　　CPLD采用ispLSI1032(简称1032),完成系统时钟信号的同步、数字单稳态触发器、超声波退耦脉冲计数器、3·6~5 V电平的转换等工作。数字时间转换模块对于整个测量系统是至关重要的,TDC-GP2(简称GP2)的精度高、封装小,具有高速脉冲发生器,停止信号使能,温度测量和时钟控制功能,特别适合于超声波流量和热量测量方面的应用。

　　超声波收发模块采用了有效的初级、次级放大滤波网络,可实现自动增益放大功能。输入输出模块由键盘、LCD显示模块、4~20 mA电流信号输出和RS-232串口输出模块构成。LCD使用CA12232A1图形点阵模块,兼容3·6 V电压,由MSP430F155(后面简称430)直接控制。4~20 mA电流输出通过430片内的DAC和外扩电压/电流变换器AD694来实现。使用MAX232芯片实现与上位机的通信,用来上传实时测量数据。

　　2·2　CPLD模块实现

　　由图2可以看出1032是整个系统最重要的通信枢纽,成为传播时间测量的重要通道。图3为CPLD内部的结构框图。

　　2·2·1　时钟同步模块

　　数字电路的运行是由时钟来推动的,时钟信号不稳定,对于传播时间的测量将会有非常大的影响。GP2测量时间的有效值为50 ps,精度非常高,但最终时间差的测量精度远远达不到这么高,实际精度是由送至GP2的Stop1引脚的使能脉冲分辨率决定的。使能脉冲通过1032送至Stop1,所以整个系统由同一时钟推动,这样可以避免由于时钟信号不同步而带来的测量误差。