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超声波流量计的低功耗高精度时间测量方法

发布:2021/8/31 16:28:57人气:413
为了建造节约型社会,并且为了经济耐用,现在对各式各类的流量仪表要求更高的精度与低功耗。文中采用T1的超低功耗MSP430单片机及“零功耗”的CPLD技术、采用时差法测量原理设计实现了一种能够应用电池供电的高精度超声波流量计,1节锂电池能够连续工作6年以上。
 
1.时差法超声波流量计的工作原理
超声波在流动的媒质中传播时,根据超声波传播速度的变化可以求出媒质的流速。时差法超声波流量计需要测量超声波顺流和逆流的时间差。如果超声波传感器发射一短促超声波脉冲在流体中传播,假设管道的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为v1,逆流速度为v2,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动的原因,超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短,假设流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量,则流体的流速v为:
V=C²×△V/2×L×cosθ              (1)
式中:c为超声波在此静止介质中的声速;t为流体介质的流动速度。
由此可见,对于已定的管道L、θ为固定的已知量,流体的流速与超声波颀流和逆流传播的时间差成正比,由于c随温度的变化有所变化,所以在测量时需要进行温度补偿处理。流量Q可以表示为:
Q=πD²/4∫vdt             (2)
时差法是超声波流量计的zui基本方法,要想得到高精度的流量测量值必需能够进行高精度的时间测量,保证测量精度、时间测量的精度要达到ns、ps级。
 
2.超声波流量计的低功耗高精度设计
2.1起声波流量计的系统组成
系统原理框图如图1所示。该超声波流量计由测量管道、切换电路、超声波传感器驱动电路、放大电路、滤波电略、比较电路、温度补偿测量电路、CPLD、MSP430单片机及按键电路、显示电路等组成。零功耗CPLD处理部分主要完成超声波传感器驱动电路的控制及放大、滤波、比较后信号的接收,完成低功耗、高精度的时间差测量。MSP430单片机主要完成流量的运算、温度补偿、接收按键信号及处理显示。为了降低功耗,超声波驱动电路,放大、滤波、比较电路的供电与否由MSP430单片机控制开关实现,MSP430单片机低功耗状态可达到几个μA级,“零功耗" CPLD的静态功耗也只有十几个μA,在4MHz的频率计数器工作时的功耗在100μA左右,MSP430单片机与“零功耗"CPLD为常供电状态。

2.2高精度低功耗时间测量办法
在超声波流量测量系统中,时间测量是衡量超声波测量系统测量精度的关键,以往采用的方法都是用提高时钟频率的办法来解决高精度测量的问题,但是时钟频率的提高导致了功耗的增加,使低功耗与高精度不能同时获得,低功耗高精度超声波流量计较好的解决了此问题。文中介绍的低功耗高精度时间测量采用双时钟完成超声波信号测量。计时时钟分为频率校低脉冲的时钟信号T1,和频率较高脉冲的时钟信号T2两个部分。频率较低脉冲的时钟信号T1由计数器T1计量,频率较高脉冲的时钟信号T2由计数器T2计量。在超声波反射信号没有到达前用较低频率的时钟信号T1,计时;当超声波反射信号到达用频率较高脉冲的时钟信号T2计时,这样采用2个频率不同的时钟信号测量时间既可以降低系统功耗,又能保证有较高的测量精度。
低功耗高精度时间测量原理图如图2所示。

图2中S1位置是超声波反射信号到达时刻,S2位置为反射信号到达后的T1时钟上升沿时刻。当反射信号到达时,即在S1,位置,T1计数器停止计数,此时计时时间设为t1,同时立即启动高频信号计数器T2,T2计时到反射信号到达时刻的下一个T1的上升沿时停止,此时T2计时时间设为t2,那么超声波传播的时间t由频率较低脉冲的时钟信号计时时间t1和频率较高脉冲的时钟信号计时时间t2通过计算可以得到,如式(3)所示:
t=t1+(1・T1-t2)            (3)
 
这样在用较低频率计数时可以实现较低的功耗,当用较高频率计时时虽然功耗很大,但用时很短所消耗的电量很小。
2.3低功耗高精度计时的硬件实现电路
超声波流量计低功耗高精度计时的硬件实现电路设计采用 Ispmach4064 ZC CPLD芯片,此芯片zui高频率400MHz,静态功耗只有10A,非常适合低功耗系统的设计。I1与12为2个8位计数器,I5与I6组成高频率振荡器,I7为D触发器。低功耗高精度计时电路实现如图3所示。
当超声波信号发射时,Stop信号为低电平,计数较低频率时钟信号T1,的脉冲,Stop信号保持低电平,D触发器I7输出为低电平,l5与I6组成的高频振荡器不震荡;当接收到超声波反射信号时,Stop信号为高电平,此时计数器I1停止计数,Stop的高电平信号使I5与I6组成的高频振荡器产生振荡信号,D触发器没发生翻转,输出信号将保持低电平直到下一个T1,脉冲高电平的到来,所以计数器I2将I5与I6产生的振荡信号记下;当下一个低频脉冲时钟信号T1上升沿到达,D触发器的输出发生翻转,输出为高电平,经反相使12停止计数并且保持计数的数据不变,直到CLR清除为止。
2.4电路工作过程
在进行测量前,由MSP430单片机输出一标准的计时时钟信号,去校准图3中l与所组成的振荡器,以便适应不同的环境温度,然后由MSP430单片机输出4MHz的时钟脉冲,进行大时间计量,也就是CPLD运行在高频模式的zui长时间只有250ns,这样可以实现低功耗的高精度时间测量。CPLD测量的时间差由MSP430单片机读出,进行运算,然后MSP430单片机所测得的温度信号进行补偿运算,最终测量出流量值,进行显示或远传等。
 
3.实验数据
应用该方法开发的超声波流量计(任意抽取5只DN20),利用精度为0.2%的3个分别为10L、20L、100L的标准容器进行检定,其中在50L/h的流速情况下,应用10L标准量筒;250L/h的流速情况下,应用20L的标准量简;2500L/h的流速情况下,应用100L的标准量简,压力均为1.3MPa压力,检定结果如表1所示。

 
4结束语
与传统的机械式流量测量仪表相比,超声波流量计具有不易堵塞、计量精度高、管径范围宽、不接触流体、使用方便等特点。釆用双时钟法的时间测量方法开发的超声波流量计已经试验成功,测时精度可以达到2.5n以上,增大计数器的位数可以提高测量时间的范围,选择不同信号的 Ispmach40007C芯片可以达到不同的分辨率。在功耗方面,所设计的产品1节5Ah的锂电池可以应用6年以上,可以看出所设计的超声波流量计将会有很好的发展前景。
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