高精度超声波流量计的设计

　　在超声波流量测量系统中,超声波信号的传播速度很快,那么超声波传播时间的测量就是系统精度的关键。目前的超声波流量计适合用于大管径的管道上,多用在工业领域,不适合城市供水行业对用户供水量的计量。传统的家用机械旋翼式水表始动流量大、磨损快、维护麻烦,越来越不能适应节水的要求。针对上述问题,本文提出了一种使用高精度时间转换芯片设计的超声波测量系统,可以实现对小管径、低流速液体的精确测量。此系统硬件电路设计结构简单,并且超低功耗MSP430单片机的使用,降低了系统的功耗,提高了工作效率,增加了系统的稳定性和可扩展性,可用于对家用测量仪表的开发。

　　1　超声波流量计测量原理

　　超声波时差法测流量是通过测量超声波信号在顺流和逆流传播时间之差来最终求得流量的,其原理图如图1所示[1]。

　　设流体的流速为v,声速为c,管道直径为D,声路与流体流向间的夹角为α,则超声波顺流时传播时间t1为:

　　只要测出顺流和逆流传播时间t1和t2就能求出速度v,进而得到流量。这种方法不受温度的影响,可以实现精确测量,高精度的时间测量模块就是整个测量系统的关键。

　　2　硬件系统设计

　　2·1　硬件系统的总体设计

　　系统的硬件设计是采用模块化设计方法。MSP430单片机是系统的控制核心,并且对采集到的数据进行处理。TDC-GP2计时模块电路用来发射超声波换能器驱动信号、采集时间差,也是整个系统的核心。硬件系统结构框图如图2所示。

　　整个系统的工作过程是:

　　系统通电后,单片机完成自身和计时芯片的初始化设置。先给收发时序控制电路一个信号,来确定是顺水测量还是逆水测量。MSP430给GP2发送一个命令信号,通知GP2的脉冲发生器发射信号,用来驱动超声波换能器,同时给GP2一个Start信号,计时开始。超声波信号通过管道中的流体后,接收换能器将接收到的信号修正后送到GP2的STOP引脚,计时结束。最后由GP2中的算术逻辑单元(ALU)算出超声波在流体中的传播时间。然后, MSP430改变收发时序控制电路的方向,再进行一次测量,又得到一个传播时间。两个时间参数,通过时差法的原理公式就能够算出管道中的流量。

　　2·2　TDC-GP2芯片介绍与详细设计

　　(1) TDC-GP2芯片概述[2]

　　TDC-GP2是ACAM公司推出的时间数字转化芯片,利用现代化的纯数字化CMOS技术,可以使时间的测量精度达到ps级。主要功能描述如下:

　　①可选的测量范围

　　芯片有两个测量范围。测量范围1是双通道测量,两个Stop通道共用一个Start通道,每个通道典型分辨率50ps,测量范围是0~1·8μs。测量范围2是单通道测量,只有一个Stop通道对应一个Start通道,典型分辨率50ps,测量范围是500ns~4ms。