基于TDC-GP2的時(shí)差式超聲流量計的設計

摘要：為實(shí)現流體流量測量高精度和低功耗的設計目的，采用TDC-GP2高精度低功耗測時(shí)模塊，設計了一種基于A(yíng)Tmega32的時(shí)差式超聲流量計。通過(guò)實(shí)驗測量管徑為20 mm的管道中的家用自來(lái)水流量，得到系統測量精度為±1％，LCD上動(dòng)態(tài)顯示瞬時(shí)和累計流量以及電池電量等參數，同時(shí)可以通過(guò)RS 232與外部通信，便于大規模應用時(shí)由上位機對信息統一管理。
關(guān)鍵詞：TDC-GP2；低功耗；單片機；時(shí)差法

0 引言
流量計量是計量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，流量測量技術(shù)廣泛應用于水利、化工、農業(yè)、石油、冶金以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域。
現行的流量計主要有：容積式流量計、質(zhì)量流量計、電磁流量計、渦輪流量計和超聲流量計等。其中，對于腐蝕性、高溫、高壓流體流量測量時(shí)，將超聲波傳感器安裝在管道外側，可以實(shí)現非接觸測量，同時(shí)對流體流動(dòng)不產(chǎn)生干擾，設計和安裝方便，測量精度較高，管徑測
量范圍寬，因而得到廣泛的應用。

1 時(shí)差式超聲波流量計簡(jiǎn)介
1．1 測量原理
自20世紀20年代初至今超聲流量計的發(fā)展已有80多年的歷史，超聲流量測量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測量流體流量的。它通過(guò)超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收換能器接收后轉換為代表流量并易于檢測的電信號，實(shí)現流量的檢測和顯示。超聲波流量計根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法及空間濾波法等不同類(lèi)型，其中傳播速度差法又分為時(shí)差法、相位差法、頻差法。隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，集成芯片的集成度和處理速度得到很大程度上的提高，從而使得時(shí)差法的優(yōu)勢得到發(fā)揮。時(shí)差式流量測量原理圖如圖1所示。

圖1中，左側圓形管道里水流流速為v，管道直徑為D，超聲波在水中的傳播速度為C，超聲波傳播方向與管道夾角為θ。于是，超聲波順流發(fā)射和逆流發(fā)射時(shí)的傳播時(shí)間分別為：