超声波流量计的低功耗高精度时间测量方法

　　0　引言

　　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[1-2]。文中采用TI的超低功耗MSP430单片机及Lattice的“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[3-4]。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

　　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顺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:

　　时差法是超声波流量计的最基本方法,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　超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、滤波电路、比较电路、温度补偿测量电路、CPLD、MSP430单片机[5]及按键电路﹑显示电路等组成。

         零功耗CPLD[6-7]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4 MHz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。计时时钟分为频率较低脉冲的时钟信号T1和频率较高脉冲的时钟信号T22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。