时差式超声波流量计实验装置

王学水，王　硕

(山东科技大学 电子通讯与物理学院，山东 青岛 266590)

时差式超声波流量计实验装置

王学水，王硕

(山东科技大学 电子通讯与物理学院，山东 青岛 266590)

摘要：基于超低功耗单片机MSP430F4152微控制器设计了时差式超声波流量计，实现了水流量的实时检测. 实验装置利用高速计时芯片TDC-GP21完成精确的流量计量，利用RS-485总线方式将数据传输至远方计算机，利用LabVIEW软件将接收到数据做成表格并绘制成折线图以供分析.

关键词：流量计；超声波；时差；MSP430F4152；TDC-GP21；RS-485通信；LabVIEW

超声波流量计由于具有结构简单、测量准确、压力损失小等特点，可以应用于气体、液体以及固体物质流量的测量，流速从几cm/s到十几m/s，被测量介质工作温度可以达到上千℃的高温，在工业现场应用越来越广泛. 时差法超声波流量检测方法是测量超声波顺流和逆流的时间差，通过计算得到流体的流速，但是在低流速情况下，时间差只有ns级，使用常规的时间测量方法无法检测到，而新型高精度计时芯片TDC-GP21则可以完成ns级的测量. 本文设计了基于超低功耗单片机MSP430F4152微控制器的时差式超声波流量计实验装置，以实现对水流量的实时检测，其中利用高速计时芯片TDC-GP21完成精确的流量计量，利用RS-485通信模块将数据远距离传输至计算机，利用计算机LabVIEW软件将接收到的时间差和标准表读数做成表格并绘制成折线图以供分析. 学生可以在实验中掌握超声波流量计的原理及实现过程.

1时差式超声波流量计的原理

超声波在流体中的传播速度与流体的流速有关，顺流超声波的传播速度大于逆流超声波的传播速度[1]. 本文涉及的时差式超声波流量计采用2个超声波探头发送和接收信号，通过测量沿顺、逆流方向传播时的时间差计算流体的速度[2]. 现考虑利用超声波U型反射法测量流速，原理如图1所示.

图1　时差法流量计原理图

(1)

逆流时间(超声波的传播方向与水流方向相反):

(2)

式中c(t1)为超声波在温度t1的静水中的流速，v为水的流速，L为超声波在水平管段传播的距离，D为超声波在竖直方向传播的距离.

时间差：

(3)

因为c2≫v2， 则

(4)

所以

(5)

因此

(6)

式中S为基表管段的横截面积. 由(6)式可知，在超声波波速一定的前提下，液体流量与超声波的传播时间差成正比. 所以超声波流量计测量的核心就是对传播时间差的测量.

假设部件服从指数分布，即FM(t)=1-e-λ1t，FA(t)=1-e-λ2t，t≥0。设定标准参数为：不完全维修的改善因子a=0.2，指数分布参数λ1=0.1，λ2=0.3，团队A和B之间“先行—随后”状态的转移概率矩阵维修费用相关参数cM=500，cd=120，cs=50，cl=10，cAn_A=12，cAf_A=15，cAn_M=24，cAf_M=30，cBn_A=22，cBf_L=25，cBn_M=34，cBf_M=40，cAr_A=200，cAr_M=500，cBr_A=240，cBr_M=540。相应的维修时间参数和为[0,1]上的随机分布，且在同一组仿真实验中保持不变。

2实验装置总体结构

实验装置总体设计如图2所示，主要有流量发生器、标准流量计、流量计量模块、数据通信模块和微机等. 流量发生器包括了水源、水泵和阀门开关，用于模拟实际管道的水流情况；流量计量模块包括换能器驱动模块和信号处理模块、LCD显示模块；数据通信模块利用RS-485总线方式进行数据通信，微机接收时间差和标准表读数数据，利用LabVIEW软件将数据做成表格并绘制折线图以供分析.

图2　实验装置总体设计图

3流量计量模块

测量流量的重点是对顺逆流时间差的测量，以高精度计时芯片TDC-GP21为核心，可以精确地测量顺逆流时间差. 为了保证实验的安全性和实验设备的便携性，采用了电池供电的方式，选择超低功耗单片机MSP430F4152作为主控芯片，使用段式液晶显示，在硬件上保证了系统的超低功耗，程序中通过多种低功耗模式和不同时钟频率的选择，使得系统在电池供电条件下，可以长期可靠地运行. 在上述硬件平台基础上，在IAR编译环境下，使用C语言编写了控制程序，核心部分是TDC-GP21的驱动程序，通过整合硬件资源，完成了流量的测量和显示.

硬件电路功能框图如图3所示. 电路的工作原理是：系统上电后，单片机首先对自身和计时芯片进行初始化设置. 发送控制指令到收发时序控制模块，用来确定此次测量的方向. 发送开始指令到高精度计时芯片TDC-GP21，通知其内部的脉冲发生器发射出1组脉冲信号，驱动换能器发射超声波. 同时GP21开始计时，超声波在通过管道流体后，换能器将接受的信号处理后送入GP21的STOP引脚，GP21计时结束，之后由算术逻辑单元通过计算2次信号到下个时钟上升沿的时间和中间时钟脉冲的个数，算出声波信号在流体中的传播时间. 变换超声波的传播方向再次测量，再次得到传播时间. 这2个时间参量经过运算得到顺逆流的时间差，由LCD显示模块进行显示并由通信模块发送数据.

图3　硬件电路功能框图

3.1超声波换能器

在超声波流量计中，超声波换能器是重要的组成部分，也是本装置利用超声波技术进行流量测量的关键，它直接影响流量计的准确性和性能. 本装置采用了目前应用最广泛的压电式超声波换能器，其性能相对于其他超声波换能器较好，并且结构简单、易于激励、方便安装.

超声波频率越高，其对于测量而言，分辨率就越高，测量精度就越高. 用于水流的测量时，超声波频率范围一般为0.5～2 MHz. 理论上讲，为了提高检测精度，应该选用频率较高的超声波，但是对于同一种介质而言，超声波频率越高，衰减就越大，衰减速度就越快，所以在实际应用中要选择合适的超声波频率. 在本装置中，为了保证超声波不被水吸收过多并保证接收信号的测量精度，选择的超声波中心频率为1 MHz、入射角为90°. 本装置所用超声波换能器的连接如图4所示，2个超声波换能器被安装在管段的正上方，中心间距为L，管段底端正对着换能器的位置是2个不锈钢反射镜面，可以有效地减少超声波反射时的能量损耗.

图4　超声波换能器的安装示意图

3.2时间计量芯片TDC-GP21

在静水中超声波的传播速度为1 450 m/s,设计的超声波流量计检测水的流速范围为0.05～20 m/s. 在相同传播路径情况下，准确测量超声波顺逆流时间差是检测的关键. 以超声波在水中的传播距离L=10.00 cm为例，计算得其在静水中的传播时间为68.966 μs,根据(4)式可知，水的流速范围为0.05～20 m/s时，顺流和逆流时间差为4.75 ns～1.90 μs,因此计时精度必须达到1 ns以下，若水流速更低则要求的计时精度就更高，有时甚至要求计时精度达到ps级.

随着集成电路的高速发展，高速时间芯片不断出现，使得ps级的测量精度成为可能. 本装置采用的计时芯片是德国ACAM公司生产的新一代高精度时间间隔数字转换芯片TDC-GP21，内部具有高速脉冲发生器、温度测量、时钟控制以及停止信号使能等功能，测量精度达到几十ps，另外芯片功耗非常低,适合用于超声流量表中[3].

图5显示了TDC-GP21测量绝对时间的主要构架. 芯片是以信号通过内部门电路的传播延迟进行高精度时间间隔测量. 芯片所包含的智能电路结构和冗余电路以及特殊的布线方法，使得芯片可以精确地计算信号通过门电路的个数. 该系统采用的GP21芯片的测量范围为500 ns～4 ms，如图6所示，在该测量范围下， 芯片的高速测量单元测量的并不是整个时间间隔，而是测量START和STOP到相邻的基准时钟上升沿之间的精确间隔时间，在2次精确测量之间，芯片内部会记下基准时钟的周期数，最后再精确测量2个周期的精确时间用于校准时钟周期，通过计算得出该次测量时间的精确值，测量单元由START信号触发，接收到STOP信号后停止，测量范围可达26位[4].

TDC-GP21具有精确的温度测量、触发脉冲产生器和时钟校准器等多种功能，只要在其基础上加上微处理器和传感器驱动模块，就可以构成超声波流量计. 微处理器只需发送开始命令，TDC-GP21发出脉冲触发超声波传感器并测量超声波渡越时间，GP21计算出结果通过SPI串行总线传给微处理器. 图7为时间计量的原理图.

图5　测量绝对时间的主要构架

图6　测量范围500 ns～4 ms的测时原理图

图7　时间计量原理图

3.3控制芯片MSP430F4152

选择单片机除了要考虑到期望功能和开发环境外，特别要关注单片机自身的功率和它所能提供的节能方式以及重要的IO接口线等. 本装置使用电池供电，首先要考虑单片机的能耗问题，采用TI公司的MSP430F4152单片机，它是专门为低功耗而设计的16位的单片机. 其自身具有非常多的优点[5]：在超低功耗方面,其处理器功耗在业界是最低的,远低于其他系列产品，非常适合由电池供电的场合. 在运算性能上,单片机采用16位RISC结构,其在16 MHz晶振工作频率时,指令速度可达16 MIPS，保证了运算的速度. 单片机强大的数据处理和运算能力,可以有效地处理由GP21传来的时间信息. 在开发工具上,MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试,利用其软件集成开发环境IAR可以非常方便地用C语言完成软件的开发. MSP430系列单片机均为工业级产品,性能稳定,可靠性高,可用于各种民用、工业产品. 利用MSP430F4152这种高性能低功耗的单片机作为控制芯片，可以进行有效系统控制并且大大减少系统耗能[6-7].

4数据通信模块

远程抄表是新兴的抄表技术，能够解决人工抄表存在的效率低和易出错的问题，提高了工作效率和工作质量. 流量计实验装置中，通信接口电路和端口转换器组成了数据通信部分，用于实现流量计和标准流量表与上位机的数据远程传输.

4.1通信接口电路

因为RS-485总线具有设计成本低、传输速度快、传输距离远等优点，所以本装置采用RS-485总线标准[8]，电路图如图8所示，由TXD和RXD端口进行数据的发送和接收，信号由A和B端口输出，所连接的TVS二极管用于保护芯片免受浪涌脉冲的破坏[9].

4.2端口转换器简介

在与上位机进行通信时，所用到的端口转换器是商业级USB转RS-485单口防雷防浪涌接口转换器，以台湾PL2303HX芯片为主芯片，原理图如图9所示[10]. 该产品从USB上取电，无需外加电源，兼容USB1.0/1.1/2.0、RS-485标准，能够将USB信号及协议帧转换为平衡差分的RS-485信号，可实现星形USB网络到RS-485网络的桥接，转换器内部带有零延时自动收发转换模块，其独有的I/O电路可以自动控制数据流方向而不需任何握手信号，也无需跳线设置实现全双工(RS-422)、半双工(RS-485)模式转换，即插即用确保适合一切现有的通信软件和接口硬件.

图8　RS-485接口电路

图9　USB转RS-485端口转换原理图

5数据测试

微机接收到时间差和瞬时流量数据，使用LabVIEW软件将数据做成表格，如表1所示，并且绘出折线图如图10所示，可以看出时间差与瞬时流量成线性关系.

表1　对照实验数据

图10　流量-时间差折线图

6结束语

本装置的核心是让学生在实验中掌握超声波流量计的原理及实现方法，利用RS-485通信同时采集流量计和标准流量表的数据并利用计算机进行表格和图像的绘制，可看出在外界温度不变的情况下，瞬时流量与流量计测得的时间差是成线性的. 此外，超声波的波速会因温度的变化而变化，本装置还配有温度测量部分，利用18B20温度传感器测量温度，学生可自行研究温度对超声波波速的影响并编程进行温度补偿.

参考文献：

[1]阮芬,马树声,白清俊,等. 超声波流量计的测流原理及其应用研究[J]. 山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(1):99-104.

[2]梁鸿翔,王润田,周艳. TDC 超声流量计设计中的同频噪声处理[J]. 声学技术,2009,28(1):29-33.

[3]闫菲. 多脉冲时差法超声波流量计的设计与实现[D]. 大连:大连理工大学,2006.

[4]邵慧. TDC-GP21在时差法超声波流量计中的应用[J]. 现代电子技术，2012,35(12):134-136.

[5]杨平,王威. MSP430系列超低功耗单片机及应用[J]. 国外电子测量技术,2008，27(12)：48-50.

[6]李国洪，盛立，刘丽娜. 基于MSP430F447的超声波流量计的设计及实现[J]. 声学技术，2010,29(3)：288-291.

[7]王秀瑛. 超声波流量计的原理及应用[J]. 山西建筑，2002,28(4)：94-95.

[8]程凯,孙克怡，曹伟，等. RS-485总线理论的应用与分析[J]. 青岛海洋大学学报，2003，33(5):753-758.

[9]林熙. 瞬态抑制二极管(TVS)的基本知识[J]. 电子制作，2000(11)：40

[10]李胜铭. PL2303HX芯片的USB转串口方法[J]. 电子制作，2011(3)：51-57.

[责任编辑：任德香]

Experimental device of ultrasonic flowmeter

WANG XUE-shui, WANG Shuo

(College of Electronic， Communication and Physics,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract:A time difference ultrasonic flowmeter was designed based on ultra-low power MSP430F4152 micro-controller to realize the real-time detection of water flow. The flow measurement was completed using high speed timing chip TDC-GP21, data were transmitted to a remote computer using RS-485 bus, and the data were tabled and plotted as a line chart for analysis by LabVIEW.

Key words:flowmeter; ultrasonic; time difference; MSP430F4152; TDC-GP21; RS-485 communication; LabVIEW

收稿日期：2016-01-23；修改日期：2016-03-07

作者简介：王学水(1964-)，男，山东泰安人，山东科技大学电子通讯与物理学院教授，硕士，主要从事科教仪器、智能仪器仪表的研发.

中图分类号：TH71

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)06-0006-06