0 引言

近年來，超聲波流量計(jì)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(yīng)用。對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)而言，的測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵，而在當(dāng)前測(cè)時(shí)芯片精度已經(jīng)達(dá)到ps級(jí)別的基礎(chǔ)上，要提高測(cè)時(shí)精度的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確判斷超聲波形到達(dá)的時(shí)刻。超聲信號(hào)的波形對(duì)準(zhǔn)確判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)顯得尤為關(guān)鍵。在這個(gè)前提下本文設(shè)計(jì)了一款時(shí)差法超聲波流量計(jì)，并介紹了其硬件實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)思路。

1 測(cè)量原理

時(shí)差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時(shí)間差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來求流速的方法。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(cè)出的時(shí)間會(huì)不同，因此根據(jù)測(cè)出時(shí)間的差值就可以計(jì)算出流體的流速，也就可以計(jì)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(duì)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(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理

測(cè)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(jì)zui大可測(cè)流速在10m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1500m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(cè)量精度直接影響到流速的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊、信號(hào)收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊、計(jì)時(shí)芯片測(cè)量模塊、MSP430F1612微處理器模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊。下面簡(jiǎn)單的介紹幾個(gè)重要模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 信號(hào)處理模塊電路設(shè)計(jì)

如圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖所示，信號(hào)處理模塊包括一級(jí)放大、二級(jí)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(jié)。其中一級(jí)放大和帶通濾波都是選用運(yùn)算放大器OPA2725來搭建的，半波整流電路由二極管和電阻構(gòu)成，二級(jí)可控增益放大器由壓控增益放大器VCA822來實(shí)現(xiàn)，這四個(gè)環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)。

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(dāng)輸入信號(hào)幅值高于參考電平時(shí)，輸出端QA輸出高電平，當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)接到信號(hào)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(hào)。該方波信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間即為超聲波信號(hào)的到達(dá)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(yùn)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(yùn)放為高速運(yùn)放OPA2604，運(yùn)放將IN114的輸出電壓以跟隨的方式反饋到IN114的基準(zhǔn)電壓上。

圖3 閾值比較電路

2.2 計(jì)時(shí)芯片測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

通過信號(hào)處理模塊后得到的方波信號(hào)包含了系統(tǒng)需要記錄的時(shí)間信號(hào)，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(jì)算是系統(tǒng)流量測(cè)量的關(guān)鍵部分。因此必須要選取一塊測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快的計(jì)時(shí)芯片。本文選取了高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，TDC-GP2具有高速脈沖發(fā)生器、停止信號(hào)使能和時(shí)鐘控制等功能，這些功能模塊使得它能滿足超聲波流量計(jì)測(cè)量的各方面要求。

由于這里需要TDC-GP2來測(cè)量方波信號(hào)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來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測(cè)量，一片TDC-GP2設(shè)置為上升沿觸發(fā)，另一片設(shè)置為下降沿觸發(fā)，分別測(cè)量方波信號(hào)的前三個(gè)上升沿時(shí)刻和前三個(gè)下降沿時(shí)刻。其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 計(jì)時(shí)芯片測(cè)量電路