時差式超聲波流量計實驗裝置

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)

時差式超聲波流量計實驗裝置

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MSP430F4152微控制器設(shè)計了時差式超聲波流量計，實現(xiàn)了水流量的實時檢測. 實驗裝置利用高速計時芯片TDC-GP21完成精確的流量計量，利用RS-485總線方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)方計算機，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；超聲波；時差；MSP430F4152；TDC-GP21；RS-485通信；LabVIEW

超聲波流量計由于具有結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確、壓力損失小等特點，可以應(yīng)用于氣體、液體以及固體物質(zhì)流量的測量，流速從幾cm/s到十幾m/s，被測量介質(zhì)工作溫度可以達(dá)到上千℃的高溫，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用越來越廣泛. 時差法超聲波流量檢測方法是測量超聲波順流和逆流的時間差，通過計算得到流體的流速，但是在低流速情況下，時間差只有ns級，使用常規(guī)的時間測量方法無法檢測到，而新型高精度計時芯片TDC-GP21則可以完成ns級的測量. 本文設(shè)計了基于超低功耗單片機MSP430F4152微控制器的時差式超聲波流量計實驗裝置，以實現(xiàn)對水流量的實時檢測，其中利用高速計時芯片TDC-GP21完成精確的流量計量，利用RS-485通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸至計算機，利用計算機LabVIEW軟件將接收到的時間差和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)做成表格并繪制成折線圖以供分析. 學(xué)生可以在實驗中掌握超聲波流量計的原理及實現(xiàn)過程.

1時差式超聲波流量計的原理

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]. 本文涉及的時差式超聲波流量計采用2個超聲波探頭發(fā)送和接收信號，通過測量沿順、逆流方向傳播時的時間差計算流體的速度[2]. 現(xiàn)考慮利用超聲波U型反射法測量流速，原理如圖1所示.

圖1　時差法流量計原理圖

(1)

逆流時間(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.

時間差：

(3)

因為c2?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間差成正比. 所以超聲波流量計測量的核心就是對傳播時間差的測量.

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A和B之間“先行—隨后”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣維修費用相關(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)的維修時間參數(shù)和為[0,1]上的隨機分布，且在同一組仿真實驗中保持不變。

2實驗裝置總體結(jié)構(gòu)

實驗裝置總體設(shè)計如圖2所示，主要有流量發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)流量計、流量計量模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和微機等. 流量發(fā)生器包括了水源、水泵和閥門開關(guān)，用于模擬實際管道的水流情況；流量計量模塊包括換能器驅(qū)動模塊和信號處理模塊、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，微機接收時間差和標(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　實驗裝置總體設(shè)計圖

3流量計量模塊

測量流量的重點是對順逆流時間差的測量，以高精度計時芯片TDC-GP21為核心，可以精確地測量順逆流時間差. 為了保證實驗的安全性和實驗設(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，程序中通過多種低功耗模式和不同時鐘頻率的選擇，使得系統(tǒng)在電池供電條件下，可以長期可靠地運行. 在上述硬件平臺基礎(chǔ)上，在IAR編譯環(huán)境下，使用C語言編寫了控制程序，核心部分是TDC-GP21的驅(qū)動程序，通過整合硬件資源，完成了流量的測量和顯示.

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，單片機首先對自身和計時芯片進(jìn)行初始化設(shè)置. 發(fā)送控制指令到收發(fā)時序控制模塊，用來確定此次測量的方向. 發(fā)送開始指令到高精度計時芯片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，驅(qū)動換能器發(fā)射超聲波. 同時GP21開始計時，超聲波在通過管道流體后，換能器將接受的信號處理后送入GP21的STOP引腳，GP21計時結(jié)束，之后由算術(shù)邏輯單元通過計算2次信號到下個時鐘上升沿的時間和中間時鐘脈沖的個數(shù)，算出聲波信號在流體中的傳播時間. 變換超聲波的傳播方向再次測量，再次得到傳播時間. 這2個時間參量經(jīng)過運算得到順逆流的時間差，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)行流量測量的關(guān)鍵，它直接影響流量計的準(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，其性能相對于其他超聲波換能器較好，并且結(jié)構(gòu)簡單、易于激勵、方便安裝.

超聲波頻率越高，其對于測量而言，分辨率就越高，測量精度就越高. 用于水流的測量時，超聲波頻率范圍一般為0.5～2 MHz. 理論上講，為了提高檢測精度，應(yīng)該選用頻率較高的超聲波，但是對于同一種介質(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多并保證接收信號的測量精度，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個超聲波換能器被安裝在管段的正上方，中心間距為L，管段底端正對著換能器的位置是2個不銹鋼反射鏡面，可以有效地減少超聲波反射時的能量損耗.

圖4　超聲波換能器的安裝示意圖

3.2時間計量芯片TDC-GP21

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

隨著集成電路的高速發(fā)展，高速時間芯片不斷出現(xiàn)，使得ps級的測量精度成為可能. 本裝置采用的計時芯片是德國ACAM公司生產(chǎn)的新一代高精度時間間隔數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21，內(nèi)部具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測量、時鐘控制以及停止信號使能等功能，測量精度達(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測量絕對時間的主要構(gòu)架. 芯片是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲進(jìn)行高精度時間間隔測量. 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算信號通過門電路的個數(shù). 該系統(tǒng)采用的GP21芯片的測量范圍為500 ns～4 ms，如圖6所示，在該測量范圍下， 芯片的高速測量單元測量的并不是整個時間間隔，而是測量START和STOP到相鄰的基準(zhǔn)時鐘上升沿之間的精確間隔時間，在2次精確測量之間，芯片內(nèi)部會記下基準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)，最后再精確測量2個周期的精確時間用于校準(zhǔn)時鐘周期，通過計算得出該次測量時間的精確值，測量單元由START信號觸發(fā)，接收到STOP信號后停止，測量范圍可達(dá)26位[4].

TDC-GP21具有精確的溫度測量、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器和時鐘校準(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)動模塊，就可以構(gòu)成超聲波流量計. 微處理器只需發(fā)送開始命令，TDC-GP21發(fā)出脈沖觸發(fā)超聲波傳感器并測量超聲波渡越時間，GP21計算出結(jié)果通過SPI串行總線傳給微處理器. 圖7為時間計量的原理圖.

圖5　測量絕對時間的主要構(gòu)架

圖6　測量范圍500 ns～4 ms的測時原理圖

圖7　時間計量原理圖

3.3控制芯片MSP430F4152

選擇單片機除了要考慮到期望功能和開發(fā)環(huán)境外，特別要關(guān)注單片機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，首先要考慮單片機的能耗問題，采用TI公司的MSP430F4152單片機，它是專門為低功耗而設(shè)計的16位的單片機. 其自身具有非常多的優(yōu)點[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合. 在運算性能上,單片機采用16位RISC結(jié)構(gòu),其在16 MHz晶振工作頻率時,指令速度可達(dá)16 MIPS，保證了運算的速度. 單片機強大的數(shù)據(jù)處理和運算能力,可以有效地處理由GP21傳來的時間信息. 在開發(fā)工具上,MSP430系列單片機支持先進(jìn)的JTAG調(diào)試,利用其軟件集成開發(fā)環(huán)境IAR可以非常方便地用C語言完成軟件的開發(fā). MSP430系列單片機均為工業(yè)級產(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的問題，提高了工作效率和工作質(zhì)量. 流量計實驗裝置中，通信接口電路和端口轉(zhuǎn)換器組成了數(shù)據(jù)通信部分，用于實現(xiàn)流量計和標(biāo)準(zhǔn)流量表與上位機的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸.

4.1通信接口電路

因為RS-485總線具有設(shè)計成本低、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，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)換器簡介

在與上位機進(jìn)行通信時，所用到的端口轉(zhuǎn)換器是商業(yè)級USB轉(zhuǎn)RS-485單口防雷防浪涌接口轉(zhuǎn)換器，以臺灣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信號及協(xié)議幀轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-485信號，可實現(xiàn)星形USB網(wǎng)絡(luò)到RS-485網(wǎng)絡(luò)的橋接，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有零延時自動收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊，其獨有的I/O電路可以自動控制數(shù)據(jù)流方向而不需任何握手信號，也無需跳線設(shè)置實現(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)測試

微機接收到時間差和瞬時流量數(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，可以看出時間差與瞬時流量成線性關(guān)系.

表1　對照實驗數(shù)據(jù)

圖10　流量-時間差折線圖

6結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]阮芬,馬樹聲,白清俊,等. 超聲波流量計的測流原理及其應(yīng)用研究[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,37(1):99-104.

[2]梁鴻翔,王潤田,周艷. TDC 超聲流量計設(shè)計中的同頻噪聲處理[J]. 聲學(xué)技術(shù),2009,28(1):29-33.

[3]閆菲. 多脈沖時差法超聲波流量計的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連:大連理工大學(xué),2006.

[4]邵慧. TDC-GP21在時差法超聲波流量計中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012,35(12):134-136.

[5]楊平,王威. MSP430系列超低功耗單片機及應(yīng)用[J]. 國外電子測量技術(shù),2008，27(12)：48-50.

[6]李國洪，盛立，劉麗娜. 基于MSP430F447的超聲波流量計的設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2010,29(3)：288-291.

[7]王秀瑛. 超聲波流量計的原理及應(yīng)用[J]. 山西建筑，2002,28(4)：94-95.

[8]程凱,孫克怡，曹偉，等. RS-485總線理論的應(yīng)用與分析[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報，2003，33(5):753-758.

[9]林熙. 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)的基本知識[J]. 電子制作，2000(11)：40

[10]李勝銘. PL2303HX芯片的USB轉(zhuǎn)串口方法[J]. 電子制作，2011(3)：51-57.

[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：TH71

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0006-06