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各行业大口径超声波流量计工作原理施工方案

时间:2017/07/19来源:未知

针对影响超声波流量计测量精度和功耗的关键环节——超声波时差测量,设计了以超低功 耗处理器EFM32G880F128为控制核心,以高精度、低功耗的超声波模拟前端芯片TOC1000和数字转换 芯片TDC7200构成时差测量电路的控制系统,较好地控制了在回波信号的放大及接收过程中产生的误 差及功耗,有效地提高了电池供电、大口径超声波流量计的测量精度,降低了产品功耗。经过检验,其 测量误差低于1%,能够满足市场需求,具有良好的应用前景。

0.引言

流量检测是供水、石油、农业灌溉等工农业生产 自动化过程的重要组成部分。超声波液体流量计具 有非接触、检测范围广、安装简单、便于维护、精度高、重复性好等特点,在流量检测领域应用广泛。此 外,由于超声波液体流量计的流通通道未设置任何阻 碍器件,在大口径流量测量中有比较突出的优势。

传统超声波流量计大多采用外接电源供电,在供 电困难的条件下,其使用受到一定的限制,采用电池 供电可以较好地解决这个问题。在电池供电的超声 波流量计,尤其是大口径流量计的市场需求中,流量 测量的准确性、仪表的可靠性,以及电池使用寿命成 为用户关注的焦点。本文针对以上问题,提出了一种 提高大口径超声波流量计测量精度、降低功耗的解决 方案,具有较高的实用价值。

1.流量测量原理及误差功耗分析

1.1测量原理

超声波流量计通常采用时差测量法,即利用超声 波在流体中顺流和逆流状态下传输速度的不同,实现 流量测量,其测量原理如图1所示卜4。在图1中管 道的上下游分别布置有2个换能器,L为2个换能器 间的距离,为流体的流速,为换能器发出的超声波 在室温静止流体中的传播速度,a为2个换能器安装 轴线与管渠轴线间的夹角。

图1 流量测量原理如

各行业大口径超声波流量计施工方案

1.2误差功耗分析

由超声波流量测量原理知,超声波传播时间的准 确测量,在很大程度上决定了流量测量的准确性,是 提高流量计测量精度的关键因素。

超声波在流体中传播时间的测量,是通过对超声 波发射信号时刻和接收到回波信号时刻为计时时间 的。大口径超声波流量计由于发射和接收换能器之 间距离比较远,超声波回波信号强度比较弱,通常只有 几十mV,要准确采集到回波信号,必须对回波信号进行 高精度的放大处理。同时,考虑到回波信号的频率一般 为1 MHz左右,则必须采用带宽较高的高速放大器。

高速放大器的使用在一定程度上解决了回波信 号采集的问题,但由于其本身功耗较大,从而增加了 放大电路的总体功耗。此外,对回波信号幅值进行判 断的电压比较电路,其功耗也不能不考虑。如果能够准 确控制放大电路和电压比较电路的供电时间,必将减少 这2部分电路产生的功耗,从而降低系统的总功耗。

由此,要提高大口径超声波流量计的测量精度, 降低系统总功耗,除了采用高性能低功耗的微控制 器,关键还在于超声波时差测量电路的设计与控制。

2.高精度低功耗解决方案

2.1硬件电路设计

高精度低功耗大口径超声波流量计硬件结构如 图2所示。采用EFM32G880F128MCU为控制器,超 声波时差测量电路由超声波模拟前端芯片TDC1000 与时间数字转换芯片TDC7200构成,在调理回波信号 的同时,实现对超声波传播时间进行测量。系统通过 SPI接口进行通讯,实现数据的测量、计算、存储等。 外围电路由稳压电路、晶振、RS485通信接口、LCD液 晶显示屏、SWD程序调试下载接口等电路组成。

图2 超声波流量计硬件结构图

FM32G880F128是一款超低功耗ARM微控制器, 采用ARM Cortex-M3 CPU平台,主频可达32 MHz,

具有4X40段LCD驱动器、16位低功耗定时器、2个低 功耗UART、超低功耗精密模拟电压比较器、12bit ADC 和DAC等。其深度休眠模式功耗为900 nA,且只需要就可以在不用对系统时钟做任何调整的情况下 返回到激活模式,关机模式下功耗可以低至20 nA。 创新的超高能效与多种工作模式,使EFM32G880H28 比传统的低功耗微控制器能效节约近40%,非常适合 电池持久供电的智能仪表应用。

2.2时差测量电路

超声波时差测量电路如图3所示,由超声波模拟 前端芯片TDC1000与时间数字转换芯片TDC7200构 成,可以实现超声波信号的发射、回波信号的调理、接 收、传播时间的测量等。

各行业大口径超声波流量计施工方案 图3 图4

2.2.1超声波模拟前端TDC1000

TDC1000是专为超声波传感器测量开发的全集 成模拟前端芯片(analog front end, AFE),可用于测量流量、物位、距离和流体识别,广泛应用于汽车、工业、 医疗和消费等领域。

TDC1000内部结构框图如图4所示,集成了两级 放大电路,级是增益为20 dB的低噪声放大器 (LNA),只需要简单的电容或电阻即可组成电容反馈 或电阻反馈放大电路;第二级为一个可编程增益放大 器(PGA),其增益能够以3 dB的步长进行调整,***大 增益可达21 dB。

TDC1000有3种测量模式,分别为Short TOF Measurement, Standard TOF Measurement和 Standard TOF Measurement with Power Blanking。在超声波信号 传播时间较长时,可以使用第三种测量模式来控制内 部放大电路的通断,使放大电路在信号传输过程关 闭,并在回波到达之前打开,内部的双比较器可在识 别到回波信号后发送停止脉冲,随后放大器马上 关闭 。

这样不仅可以显著降低放大电路功耗,还可以有 效避免信号传输过程中对放大电路产生的干扰,进一 步提高测量精度。

2.2.2时间数字转换芯片TDC7200

TDC7200是一款时间数字转换器,适用于流量 计、燃气表和热量表等超声波感测,尤其是高精度零 流量和低流量测量。

TDC7200有2种工作模式,测量范围分别为0.012 ~0.5 ms 和 0. 25 ~8 ms,分辨率为 55 ps,功耗为 0.5 ^A。 采用SPI接口与微控制器通讯,可以测量起始脉冲信 号与多达5个停止脉冲信号之间的时间间隔,使用户 能够选择回声性能***佳的停止脉冲信号。内置的自 校准时基,可对时间和温度偏差进行补偿,从而获得 ps级的测量精度。

2.2.3回波信号滤波电路

为了尽量减小回波信号接收通道噪声,提高超声 波信号传播时间测量的准确度,利用TDC1000信号滤 波端口 : LNAOUT 和 PGAIN、PGAOUT 和 COMPIN,分 别设计滤波电路,如图3所示,从而构成一个1 MHz 的无源带通滤波器,实现对回波信号的高效滤波 处理。

这样,由TDC1000和TDC7200构成的超声波时 差测量电路,除了微控制器以外,只需用电阻、电容等 无源元器件构成相应外围电路即可,不仅电路简洁, 测量精度高,功耗也得到有效控制。

3.系统App设计

系统主程序流程图如图5所示,主要由初始化程 序、超声波传播时间测量程序、流量计算程序、显示程 序等部分组成。

图5 超声波流量计主程序流程图

系统上电后,首先对系统时钟、显示模块、定时 器、通讯模块、I/O端口和按键模块等进行初始化,然 后再对TDC1000和TDC7200进行初始化,设定其工 作模式,在非测量周期内关闭TDC1000和TDC7200 的使能信号,使其进入休眠模式降低功耗。

测量周期开始时,TDC1000根据微控制器的指 令,发射超声波激励信号,同时将发射起始脉冲信号 送给TDC7200。在超声波信号传播过程中,先关闭 TDC7200以降低功耗,回波信号经过TDC1000进行滤波、PGA增益调节、放大等环节后,微控制器内部集成 的低功耗电压比较器和12 bit数模转换器,判断超声 波回波信号是否被调整到合适的范围。当回波信号 强度达到设定的强度范时,TDC1000重新发射激励 信号和起始脉冲信号,内部双比较器识别回波信号 后,随即关闭放大器和识别电路。超声波起始停止脉 冲信号均发送至TDC7200,并由TDC7200依据脉冲信 号测量超声波传播时间。

TDC7200测量结束产生中断信号,微控制器响应 中断请求,通过SPI读取测量结果,经过App滤波后计 算出超声波信号顺流和逆流飞行时间和时差,***后计 算得到流速和流量,并将相关信息显示在液晶显示 器上。

4.系统测试

采用TDC1000和TDC7200设计的高精度低功耗 大口径超声波流量计,通过流量校验台进行湿标确定 流量特性。根据流量计***小流量、分界流量、常用流 量及过载流量实测的流速数据制定流量特性表,通过 分段插值计算进行流量补偿,这样就可以根据测得的 流速数据查表得到相应的流量。经过测试,该流量计 的测量误差可控制在1%以内,达到标准2级精 度要求(依据计量检定规程JJG 1030—2007《超 声流量计》),测试数据见表1。整机平均功耗小于 0.75 mW (每s测量1次),单节锂电池供电 (ER34615)可连续工作6年,2节锂电池供电可工作10a以上。

表1 测试数据

此外,在调试及分析的基础上,还通过以下措施 来进一步提高系统测量精度:

(1)对于采集到的时差数据,可综合运用滑动平 均滤波和中位值平均滤波法进行滤波处理。滑动平 均滤波算法对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度 高;中位值平均滤波算法对于偶然出现的脉冲性干 扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差,综合 运用上述2种滤波方法,可以有效提高测量精度。

(2)对于如TDC1000的高精度数模混合器件,稳 定的电源和合理的地线分布能有效减少系统噪声。 电源部分可采用自有噪声极低、电源抑制比较高的低 压差线性稳压器,配合大容量钽电容滤波,提高电源 部分的抗噪能力。单独设立电源层和地线层,可以有 效减少脉冲信号引起的串扰。

(3)系统布线时,应尽量使顺逆流测量通道的激 励脉冲在PCB板上延时一致,顺流逆流导线长度与线 宽也应尽量保持一致,甚至过孔数量也要保持一致, 并合理增加线宽,尽量减少使用过孔,以控制传输线 之间的寄生电容。

5.结束语

以提高超声波传播时间测量精度,降低测量电路 功耗为目标,采用高精度、低功耗的超声波模拟前端 芯片TDC1000和数字转换芯片TDC7200构成时差测 量电路,较好地解决了在回波信号的放大及接收过程 中产生的误差及功耗,有效地提高了电池供电、大口 径超声波流量计的测量精度,控制了产品的功耗,达 到2级表的标准,满足市场需求,具有良好的应用 前景。

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