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      超聲波流量計的低功耗高精度時間測量方法

      發布:2022/9/22 10:55:45人氣:418
      為了建造節約型社會,并且為了經濟耐用,現在對各式各類的流量儀表要求更高的精度與低功耗。文中采用T的超低功耗MSP430單片機及Lattice的“零功耗”的CPLD技術、采用時差法測量原理設計實現了一種能夠應用電池供電的高精度超聲波流量計,1節鋰電池能夠連續工作6年以上。
       
      1.時差法超聲波流量計的工作原理
      超聲波在流動的媒質中傳播時,根據超聲波傳播速度的變化可以求出媒質的流速。時差法超聲波流量計需要測量超聲波順流和逆流的時間差。如果超聲波傳感器發射一短促超聲波脈沖在流體中傳播,假設管道的內直徑為D,超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流速度為v1,逆流速度為v2,超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為?。
      由于流體流動的原因,超聲波順流傳播L長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短,假設流體的流速和超聲波在介質中的速度相比是個小量,則流體的流速v為:
      V=C²×△V/2×L×cos?         (1)
      式中:c為超聲波在此靜止介質中的聲速;v為流體介質的流動速度。
      由此可見,對于已定的管道L、?為固定的已知量,流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比,由于c隨溫度的變化有所變化,所以在測量時需要進行溫度補償處理。流量Q可以表示為:
      Q=πD²/4?vdt         (2)
      時差法是超聲波流量計的zui基本方法,要想得到高精度的流量測量值必需能夠進行高精度的時間測量,保證測量精度、時間測量的精度要達到ns、ps級。
       
      2.超聲波流量計的低功耗高精度設計
      2.1超聲波流量計的系統組成
      系統原理框圖如圖1所示。該超聲波流量計由測量管道、切換電路、超聲波傳感器驅動電路、放大電路、濾波電路、比較電路、溫度補償測量電路、CPLD、MSP430單片機)及按鍵電路、顯示電路等組成。
      零功耗CPLD”處理部分主要完成超聲波傳感器驅動電路的控制及放大、濾波、比較后信號的接收,完成低功耗、高精度的時間差測量。MSP430單片機主要完成流量的運算、溫度補償、接收按鍵信號及處理顯示。為了降低功耗,超聲波驅動電路,放大、濾波、比較電路的供電與否由MSP430單片機控制開關實現,MSP430單片機低功耗狀態可達到幾個µA級,“零功耗”CPLD的靜態功耗也只有十幾個μA,在4MHz的頻率計數器工作時的功耗在100μA左右,MSP430單片機與“零功耗”CPLD為常供電狀態。

      2.2高精度低功耗時間測量辦法
      在超聲波流量測量系統中,時間測量是衡量超聲波測量系統測量精度的關鍵,以往采用的方法都是用提高時鐘頻率的辦法來解決高精度測量的問題,但是時鐘頻率的提高導致了功耗的增加,使低功耗與高精度不能同時獲得,低功耗高精度超聲波流量計較好的解決了此問題。文中介紹的低功耗高精度時間測量采用雙時鐘完成超聲波信號測量。計時時鐘分為頻率較低脈沖的時鐘信號T1和頻率較高脈沖的時鐘信號T2兩個部分。頻率較低脈沖的時鐘信號T1由計數器T1計量,頻率較高脈沖的時鐘信號T2由計數器T1計量。在超聲波反射信號沒有到達前用較低頻率的時鐘信號T1計時;當超聲波反射信號到達用頻率較高脈沖的時鐘信號T2計時,這樣采用2個頻率不同的時鐘信號測量時間既可以降低系統功耗,又能保證有較高
      的測量精度。低功耗高精度時間測量原理圖如圖2所示。
      圖2中S1位置是超聲波反射信號到達時刻,S2位置為反射信號到達后的T1時鐘上升沿時刻。當反射信號到達時,即在S1,位置,T1計數器停止計數,此時計時時間設為t1,同時立即啟動高頻信號計數器T2,T2計時到反射信號到達時刻的下一個T1的上升沿時停止,此時T2計時時間設為t2,那么超聲波傳播的時間t由頻率較低脈沖的時鐘信號計時時間t1和頻率較高脈沖的時鐘信號計時時間5通過計算可以得到,如式(3)所示:
      t=t1+(1•T1-t2)        (3)
      這樣在用較低頻率計數時可以實現較低的功耗,當用較高頻率計時時雖然功耗很大,但用時很短所消耗的電量很小。
      2.3低功耗高精度計時的硬件實現電路
      超聲波流量計低功耗高精度計時的硬件實現電路設計采用IspMach4064 ZC CPLD芯片,此芯片zui高頻率400MHz,靜態功耗只有10μA,非常適合低功耗系統的設計。I1與I2為2個8位計數器,I5與I6組成高頻率振蕩器,I7為D觸發器。低功耗高精度計時電路實現如圖3所示。
      當超聲波信號發射時,Stop信號為低電平,I1計數較低頻率時鐘信號T1的脈沖,Stop信號保持低電平,D觸發器l7輸出為低電平,I5與I6組成的高頻振蕩器不震蕩:當接收到超聲波反射信號時,Stop信號為高電平,此時計數器I1停止計數,Stop的高電平信號使,I5與I6。組成的高頻振蕩器產生振蕩信號,D觸發器沒發生翻轉,輸出信號將保持低電平直到下一個T1脈沖高電平的到來,所以計數器I2將I5與I6產生的振蕩信號記下;當下一個低頻脈沖時鐘信號T1上升沿到達,D觸發器的輸出發生翻轉,輸出為高電平,經反相使I2停止計數并且保持計數的數據不變,直到CLR清除為止。
      2.4電路工作過程
      在進行測量前,由MSP430單片機輸出一標準的計時時鐘信號,去校準圖3中I5與I6。所組成的振蕩器,以便適應不同的環境溫度,然后由MSP430單片機輸出4MHz的時鐘脈沖,進行大時間計量,也就是CPLD運行在高頻模式的zui長時間只有250ns,這樣可以實現低功耗的高精度時間測量。CPLD測量的時間差由MSP430單片機讀出,進行運算,然后MSP430單片機所測得的溫度信號進行補償運算,zui終測量出流量值,進行顯
      示或遠傳等。
       
      3.實驗數據
      應用該方法開發的超聲波流量計(任意抽取5只DN20),利用精度為0.2%的3個分別為10L、20L、100L的標準容器進行檢定,其中在50L/h的流速情況下,應用10L標準量筒;250L/h的流速情況下,應用20L的標準量簡;2500L/h的流速情況下,應用100L的標準量簡,壓力均為1.3MPa壓力,檢定結果如表1所示。
       
      4.結束語
      與傳統的機械式流量測量儀表相比,超聲波流量計具有不易堵塞、計量精度高、管徑范圍寬、不接觸流體、使用方便等特點。采用雙時鐘法的時間測量方法開發的超聲波流量計已經試驗成功,測時精度可以達到2.5ns以上,增大計數器的位數可以提高測量時間的范圍,選擇不同信號的IspMach4000ZC芯片可以達到不同的分辨率。在功耗方面,所設計的產品1節5Ah的鋰電池可以應用6年以上,可以看出所設計的超聲波流量計將會有很好的發展前景。
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