時(shí)差法超聲波流量計的設計與硬件電路實(shí)現

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

3 結論

實(shí)驗采集了5個(gè)流速測量點(diǎn)進(jìn)行測量，在每一個(gè)測量點(diǎn)處進(jìn)行多次測量并將本系統設計的流量計測量結果與標準流量計測量結果進(jìn)行比較，得到數據如表1所示。

表1 流量測量數據

由表1的數據可知，25mm口徑管道流速在0.2～4m/s范圍內精度都優(yōu)于1.2%，重復性在0.5%左右。根據GB/T778.1-1996標準可知，口徑為25mm的管道常用流量為3.5m³/h，在該流量處測量精度和重復性均在0.6%左右，與市面上一些時(shí)差法超聲波液體流量計的精度和重復性相比有了一定的提升。