時(shí)差式超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

王學(xué)水，王　碩

(山東科技大學(xué) 電子通訊與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

時(shí)差式超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

王學(xué)水，王碩

(山東科技大學(xué) 電子通訊與物理學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：基于超低功耗單片機(jī)MSP430F4152微控制器設(shè)計(jì)了時(shí)差式超聲波流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水流量的實(shí)時(shí)檢測(cè). 實(shí)驗(yàn)裝置利用高速計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21完成精確的流量計(jì)量，利用RS-485總線方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)，利用LabVIEW軟件將接收到數(shù)據(jù)做成表格并繪制成折線圖以供分析.

關(guān)鍵詞：流量計(jì)；超聲波；時(shí)差；MSP430F4152；TDC-GP21；RS-485通信；LabVIEW

超聲波流量計(jì)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、壓力損失小等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于氣體、液體以及固體物質(zhì)流量的測(cè)量，流速?gòu)膸譪m/s到十幾m/s，被測(cè)量介質(zhì)工作溫度可以達(dá)到上千℃的高溫，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛. 時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)方法是測(cè)量超聲波順流和逆流的時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算得到流體的流速，但是在低流速情況下，時(shí)間差只有ns級(jí)，使用常規(guī)的時(shí)間測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)到，而新型高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21則可以完成ns級(jí)的測(cè)量. 本文設(shè)計(jì)了基于超低功耗單片機(jī)MSP430F4152微控制器的時(shí)差式超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，其中利用高速計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21完成精確的流量計(jì)量，利用RS-485通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸至計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)LabVIEW軟件將接收到的時(shí)間差和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)做成表格并繪制成折線圖以供分析. 學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中掌握超聲波流量計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程.

1時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理

超聲波在流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)，順流超聲波的傳播速度大于逆流超聲波的傳播速度[1]. 本文涉及的時(shí)差式超聲波流量計(jì)采用2個(gè)超聲波探頭發(fā)送和接收信號(hào)，通過(guò)測(cè)量沿順、逆流方向傳播時(shí)的時(shí)間差計(jì)算流體的速度[2]. 現(xiàn)考慮利用超聲波U型反射法測(cè)量流速，原理如圖1所示.

圖1　時(shí)差法流量計(jì)原理圖

(1)

逆流時(shí)間(超聲波的傳播方向與水流方向相反):

(2)

式中c(t1)為超聲波在溫度t1的靜水中的流速，v為水的流速，L為超聲波在水平管段傳播的距離，D為超聲波在豎直方向傳播的距離.

時(shí)間差：

(3)

因?yàn)閏2?v2， 則

(4)

所以

(5)

因此

(6)

式中S為基表管段的橫截面積. 由(6)式可知，在超聲波波速一定的前提下，液體流量與超聲波的傳播時(shí)間差成正比. 所以超聲波流量計(jì)測(cè)量的核心就是對(duì)傳播時(shí)間差的測(cè)量.

假設(shè)部件服從指數(shù)分布，即FM(t)=1-e-λ1t，F(xiàn)A(t)=1-e-λ2t，t≥0。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為：不完全維修的改善因子a=0.2，指數(shù)分布參數(shù)λ1=0.1，λ2=0.3，團(tuán)隊(duì)A和B之間“先行—隨后”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣維修費(fèi)用相關(guān)參數(shù)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。相應(yīng)的維修時(shí)間參數(shù)和為[0,1]上的隨機(jī)分布，且在同一組仿真實(shí)驗(yàn)中保持不變。

2實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要有流量發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、流量計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和微機(jī)等. 流量發(fā)生器包括了水源、水泵和閥門(mén)開(kāi)關(guān)，用于模擬實(shí)際管道的水流情況；流量計(jì)量模塊包括換能器驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理模塊、LCD顯示模塊；數(shù)據(jù)通信模塊利用RS-485總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，微機(jī)接收時(shí)間差和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)數(shù)據(jù)，利用LabVIEW軟件將數(shù)據(jù)做成表格并繪制折線圖以供分析.

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)圖

3流量計(jì)量模塊

測(cè)量流量的重點(diǎn)是對(duì)順逆流時(shí)間差的測(cè)量，以高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21為核心，可以精確地測(cè)量順逆流時(shí)間差. 為了保證實(shí)驗(yàn)的安全性和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的便攜性，采用了電池供電的方式，選擇超低功耗單片機(jī)MSP430F4152作為主控芯片，使用段式液晶顯示，在硬件上保證了系統(tǒng)的超低功耗，程序中通過(guò)多種低功耗模式和不同時(shí)鐘頻率的選擇，使得系統(tǒng)在電池供電條件下，可以長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行. 在上述硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，在IAR編譯環(huán)境下，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)了控制程序，核心部分是TDC-GP21的驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)整合硬件資源，完成了流量的測(cè)量和顯示.

硬件電路功能框圖如圖3所示. 電路的工作原理是：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對(duì)自身和計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行初始化設(shè)置. 發(fā)送控制指令到收發(fā)時(shí)序控制模塊，用來(lái)確定此次測(cè)量的方向. 發(fā)送開(kāi)始指令到高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP21，通知其內(nèi)部的脈沖發(fā)生器發(fā)射出1組脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波. 同時(shí)GP21開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在通過(guò)管道流體后，換能器將接受的信號(hào)處理后送入GP21的STOP引腳，GP21計(jì)時(shí)結(jié)束，之后由算術(shù)邏輯單元通過(guò)計(jì)算2次信號(hào)到下個(gè)時(shí)鐘上升沿的時(shí)間和中間時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，算出聲波信號(hào)在流體中的傳播時(shí)間. 變換超聲波的傳播方向再次測(cè)量，再次得到傳播時(shí)間. 這2個(gè)時(shí)間參量經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到順逆流的時(shí)間差，由LCD顯示模塊進(jìn)行顯示并由通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù).

圖3　硬件電路功能框圖

3.1超聲波換能器

在超聲波流量計(jì)中，超聲波換能器是重要的組成部分，也是本裝置利用超聲波技術(shù)進(jìn)行流量測(cè)量的關(guān)鍵，它直接影響流量計(jì)的準(zhǔn)確性和性能. 本裝置采用了目前應(yīng)用最廣泛的壓電式超聲波換能器，其性能相對(duì)于其他超聲波換能器較好，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于激勵(lì)、方便安裝.

超聲波頻率越高，其對(duì)于測(cè)量而言，分辨率就越高，測(cè)量精度就越高. 用于水流的測(cè)量時(shí)，超聲波頻率范圍一般為0.5～2 MHz. 理論上講，為了提高檢測(cè)精度，應(yīng)該選用頻率較高的超聲波，但是對(duì)于同一種介質(zhì)而言，超聲波頻率越高，衰減就越大，衰減速度就越快，所以在實(shí)際應(yīng)用中要選擇合適的超聲波頻率. 在本裝置中，為了保證超聲波不被水吸收過(guò)多并保證接收信號(hào)的測(cè)量精度，選擇的超聲波中心頻率為1 MHz、入射角為90°. 本裝置所用超聲波換能器的連接如圖4所示，2個(gè)超聲波換能器被安裝在管段的正上方，中心間距為L(zhǎng)，管段底端正對(duì)著換能器的位置是2個(gè)不銹鋼反射鏡面，可以有效地減少超聲波反射時(shí)的能量損耗.

圖4　超聲波換能器的安裝示意圖

3.2時(shí)間計(jì)量芯片TDC-GP21

在靜水中超聲波的傳播速度為1 450 m/s,設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)檢測(cè)水的流速范圍為0.05～20 m/s. 在相同傳播路徑情況下，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波順逆流時(shí)間差是檢測(cè)的關(guān)鍵. 以超聲波在水中的傳播距離L=10.00 cm為例，計(jì)算得其在靜水中的傳播時(shí)間為68.966 μs,根據(jù)(4)式可知，水的流速范圍為0.05～20 m/s時(shí)，順流和逆流時(shí)間差為4.75 ns～1.90 μs,因此計(jì)時(shí)精度必須達(dá)到1 ns以下，若水流速更低則要求的計(jì)時(shí)精度就更高，有時(shí)甚至要求計(jì)時(shí)精度達(dá)到ps級(jí).

隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時(shí)間芯片不斷出現(xiàn)，使得ps級(jí)的測(cè)量精度成為可能. 本裝置采用的計(jì)時(shí)芯片是德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的新一代高精度時(shí)間間隔數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21，內(nèi)部具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測(cè)量、時(shí)鐘控制以及停止信號(hào)使能等功能，測(cè)量精度達(dá)到幾十ps，另外芯片功耗非常低,適合用于超聲流量表中[3].

圖5顯示了TDC-GP21測(cè)量絕對(duì)時(shí)間的主要構(gòu)架. 芯片是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門(mén)電路的傳播延遲進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量. 芯片所包含的智能電路結(jié)構(gòu)和冗余電路以及特殊的布線方法，使得芯片可以精確地計(jì)算信號(hào)通過(guò)門(mén)電路的個(gè)數(shù). 該系統(tǒng)采用的GP21芯片的測(cè)量范圍為500 ns～4 ms，如圖6所示，在該測(cè)量范圍下， 芯片的高速測(cè)量單元測(cè)量的并不是整個(gè)時(shí)間間隔，而是測(cè)量START和STOP到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的精確間隔時(shí)間，在2次精確測(cè)量之間，芯片內(nèi)部會(huì)記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)，最后再精確測(cè)量2個(gè)周期的精確時(shí)間用于校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，通過(guò)計(jì)算得出該次測(cè)量時(shí)間的精確值，測(cè)量單元由START信號(hào)觸發(fā)，接收到STOP信號(hào)后停止，測(cè)量范圍可達(dá)26位[4].

TDC-GP21具有精確的溫度測(cè)量、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器和時(shí)鐘校準(zhǔn)器等多種功能，只要在其基礎(chǔ)上加上微處理器和傳感器驅(qū)動(dòng)模塊，就可以構(gòu)成超聲波流量計(jì). 微處理器只需發(fā)送開(kāi)始命令，TDC-GP21發(fā)出脈沖觸發(fā)超聲波傳感器并測(cè)量超聲波渡越時(shí)間，GP21計(jì)算出結(jié)果通過(guò)SPI串行總線傳給微處理器. 圖7為時(shí)間計(jì)量的原理圖.

圖5　測(cè)量絕對(duì)時(shí)間的主要構(gòu)架

圖6　測(cè)量范圍500 ns～4 ms的測(cè)時(shí)原理圖

圖7　時(shí)間計(jì)量原理圖

3.3控制芯片MSP430F4152

選擇單片機(jī)除了要考慮到期望功能和開(kāi)發(fā)環(huán)境外，特別要關(guān)注單片機(jī)自身的功率和它所能提供的節(jié)能方式以及重要的IO接口線等. 本裝置使用電池供電，首先要考慮單片機(jī)的能耗問(wèn)題，采用TI公司的MSP430F4152單片機(jī)，它是專門(mén)為低功耗而設(shè)計(jì)的16位的單片機(jī). 其自身具有非常多的優(yōu)點(diǎn)[5]：在超低功耗方面,其處理器功耗在業(yè)界是最低的,遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品，非常適合由電池供電的場(chǎng)合. 在運(yùn)算性能上,單片機(jī)采用16位RISC結(jié)構(gòu),其在16 MHz晶振工作頻率時(shí),指令速度可達(dá)16 MIPS，保證了運(yùn)算的速度. 單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,可以有效地處理由GP21傳來(lái)的時(shí)間信息. 在開(kāi)發(fā)工具上,MSP430系列單片機(jī)支持先進(jìn)的JTAG調(diào)試,利用其軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR可以非常方便地用C語(yǔ)言完成軟件的開(kāi)發(fā). MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,性能穩(wěn)定,可靠性高,可用于各種民用、工業(yè)產(chǎn)品. 利用MSP430F4152這種高性能低功耗的單片機(jī)作為控制芯片，可以進(jìn)行有效系統(tǒng)控制并且大大減少系統(tǒng)耗能[6-7].

4數(shù)據(jù)通信模塊

遠(yuǎn)程抄表是新興的抄表技術(shù)，能夠解決人工抄表存在的效率低和易出錯(cuò)的問(wèn)題，提高了工作效率和工作質(zhì)量. 流量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置中，通信接口電路和端口轉(zhuǎn)換器組成了數(shù)據(jù)通信部分，用于實(shí)現(xiàn)流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量表與上位機(jī)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸.

4.1通信接口電路

因?yàn)镽S-485總線具有設(shè)計(jì)成本低、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以本裝置采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)[8]，電路圖如圖8所示，由TXD和RXD端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，信號(hào)由A和B端口輸出，所連接的TVS二極管用于保護(hù)芯片免受浪涌脈沖的破壞[9].

4.2端口轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介

在與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，所用到的端口轉(zhuǎn)換器是商業(yè)級(jí)USB轉(zhuǎn)RS-485單口防雷防浪涌接口轉(zhuǎn)換器，以臺(tái)灣PL2303HX芯片為主芯片，原理圖如圖9所示[10]. 該產(chǎn)品從USB上取電，無(wú)需外加電源，兼容USB1.0/1.1/2.0、RS-485標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)SB信號(hào)及協(xié)議幀轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-485信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)星形USB網(wǎng)絡(luò)到RS-485網(wǎng)絡(luò)的橋接，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊，其獨(dú)有的I/O電路可以自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流方向而不需任何握手信號(hào)，也無(wú)需跳線設(shè)置實(shí)現(xiàn)全雙工(RS-422)、半雙工(RS-485)模式轉(zhuǎn)換，即插即用確保適合一切現(xiàn)有的通信軟件和接口硬件.

圖8　RS-485接口電路

圖9　USB轉(zhuǎn)RS-485端口轉(zhuǎn)換原理圖

5數(shù)據(jù)測(cè)試

微機(jī)接收到時(shí)間差和瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，使用LabVIEW軟件將數(shù)據(jù)做成表格，如表1所示，并且繪出折線圖如圖10所示，可以看出時(shí)間差與瞬時(shí)流量成線性關(guān)系.

表1　對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10　流量-時(shí)間差折線圖

6結(jié)束語(yǔ)

本裝置的核心是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握超聲波流量計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，利用RS-485通信同時(shí)采集流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量表的數(shù)據(jù)并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行表格和圖像的繪制，可看出在外界溫度不變的情況下，瞬時(shí)流量與流量計(jì)測(cè)得的時(shí)間差是成線性的. 此外，超聲波的波速會(huì)因溫度的變化而變化，本裝置還配有溫度測(cè)量部分，利用18B20溫度傳感器測(cè)量溫度，學(xué)生可自行研究溫度對(duì)超聲波波速的影響并編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

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[責(zé)任編輯：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

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)水(1964-)，男，山東泰安人，山東科技大學(xué)電子通訊與物理學(xué)院教授，碩士，主要從事科教儀器、智能儀器儀表的研發(fā).

中圖分類號(hào)：TH71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)06-0006-06