一种时差式超声波流量计时差测量方法

摘要

本发明公开了一种时差式超声波流量计时差测量方法，所述方法在脉冲计数测量时差的基础上，通过鉴相器、积分电路和ADC对脉冲计数的误差部分进行转换测量，实现流量计时差的精确测量；所述方法中脉冲计数信号来源采用流量计控制单元MSP430输出的时钟信号，所述脉冲计数存在计量误差，所述计量误差经鉴相器识别后由积分电路转换为电压，所述电压送至流量计控制单元MSP430内部ADC，由所述ADC转换结果结合脉冲计数结果，最终可得时差式超声波流量计时差。上述方法利用时差式超声波流量计控制单元MSP430内部ADC和时钟信号，可免除现有时差式超声波流量计的计时芯片，很好地降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及本发明涉及流量测量设备技术领域，尤其涉及一种时差式超 声波流量计时差测量方法。

背景技术

时差式超声波流量计在小流速流量计量时对时差测量精度要求高，现有 采用FPGA或CPLD电路搭配晶振形成的脉冲计时电路无法应用于小流速流 量计量，仅能用于大流速或精度要求低的场合。对流量测量精度要求高或小 流速场合，要提高流量测量精度，须相应提高计数脉冲频率，然而计数脉 冲频率后期提升难度大，成本也较高。

在时差式超声波流量计中，对提高流量测量精度的研究与应用比较成 熟。现有研究也有考虑到以上现有时差式超声波流量计存在的流量测量精 度问题，如申请日为2011年04月25日，申请号为201110103079.7的一种 高精度时差式超声波流量计及其测量方法，该发明专利讲述的计时电路利 用流量计计时芯片(如TDC-GP2)开发，计时方案计时分辨率可达65ps， 但这种方案采用的计时芯片为市面在售产品，价格昂贵，占流量计成本比重 较大；还有一个申请日为2012年07月10日，申请号为201210236748.2的 高精度时差式单脉冲超声波流量计系统及其测量流量方法，该发明专利利 用积分电路和微处理控制芯片A/D功能开发的计时电路，消除了脉冲计数 的计量误差，但该发明专利未考虑ADC转换误差和积分电路的非线性影 响，只采用时间转换为电压值的单一测量方法，因此积分电路积到饱和的时 间须按最大量程2000ns选取，以12位ADC量化2000ns的时差，受制于 ADC转换误差和积分电路非线性，时差测量存在误差。

综上，现有技术中存在如下缺点：

1)采用FPGA或CPLD电路搭配晶振，系统复杂且计时分辨率仅为 5-10ns，流量测量精度低，适用范围小；

2)采用计时芯片TDC-GP2开发计时电路，分辨率可达65ps，但这种方 案采用的计时芯片为市面在售产品，价格昂贵，占流量计成本比重较大；

3)利用积分电路和微处理控制芯片A/D功能开发的计时电路，消除了 脉冲计数的计量误差，但只采用时间转换为电压值的单一测量方法，受制于 ADC转换误差和积分电路非线性，时差测量存在误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种本发明提供了一种低成 本、高精度时差式超声波流量计时差测量方法。该方法利用时差式超声波流 量计控制单元MSP430内部ADC和输出时钟信号，使用输出时钟信号对顺、 逆流时差进行脉冲计数，针对脉冲计数无法测量的不足一个周期的计量误 差，将时间转换为电压，结合MSP430内部ADC，得到该部分时差数值，从 而得到最终顺、逆流时差。该方法由于利用流量计控制单元MSP430内部硬 件资源，提高硬件利用率，免除现有流量计高频时钟电路或昂贵计时芯片， 成本低廉；该方法只需对不足一个周期的时差进行积分，极大地减小了 ADC转换误差及积分电路非线性的影响，在只考虑ADC转换误差的情况 下，时差测量分辨率可达30皮秒。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种时差式超声波流量计时差测量方法，所述方法包括：

使发送/接收超声波的过程处于顺流状态；

通过发送驱动电路产生顺流发送驱动信号，将所述信号送至鉴相器，同 时驱动发送换能器产生超声波；

鉴别所述驱动信号上升沿和所述上升沿后控制单元MSP430时钟信号第 一个上升沿的脉冲宽度，产生顺流鉴相信号脉冲P_S1，使用所述脉冲、控制积 分开关的闭合，使积分电路进行正向积分，同时启动脉冲计数，利用时钟信 号进行计时；

接收换能器将超声波信号转换为电信号，通过信号预处理电路处理所述 电信号后形成接收信号发送至鉴相器，同时停止计数脉冲，计算脉冲个数， 乘以时钟信号周期T₀，得到顺时差中非积分阶段的时差值；

鉴别出接收信号上升沿和上升沿后控制单元MSP430时钟信号第一个上 升沿的脉冲宽度，产生顺流鉴相信号脉冲P_S2，使用所述脉冲控制积分开关的 闭合，使积分电路进行反向积分；

将积分电路积分结果送至控制单元MSP430内部ADC，由ADC进行转 换得到顺流时差中脉冲计数无法计量的不足一个周期部分的时差值(T_S1-T_S2)， 并根据顺流时差值中非积分阶段的时差值，得到顺流时差T_S；

依据上述顺流时差测量步骤，得到逆流时差T_N；

将逆流时差减去顺流时差，得到最终时差式超声波流量计时差值ΔT。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明测量时差时利用时差式超声波流量计控制单元MSP430内部ADC 和输出时钟信号，充分地利用流量计控制单元MSP430内部硬件资源，提高 硬件利用率，免除现有流量计的高频时钟电路或昂贵计时芯片，计时电路成 本可降至现有流量计计时电路成本的18％；

以MSP430外接8M晶振来获得系统的时钟信号，本发明的积分电路从 零积到饱和的时间可降低至125纳秒，即控制单元MSP430内部ADC可用 12位量化125纳秒，因此量化误差可达极大地减小了ADC转 换误差，同时也可大大减少积分电路非线性对时差测量的影响。

附图说明

图1是时差式超声波流量计时差测量方法流程图；

图2是度时差式超声波流量计时差测量时序图；

图3是时差式超声波流量计时差测量系统结构图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本 领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下 具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本 发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

图1所示，提供低成本、高精度时差式超声波流量计时差测量时序图， 结合图1、图2对低成本、高精度时差式超声波流量计时差测量方法做进一 步说明，所述方法包括以下步骤：

A控制发送/接收切换开关，使换能器A、换能器B发送/接收超声波的 过程处于顺流状态；

B发送驱动电路产生顺流发送驱动信号，所述信号送至鉴相器，同时驱 动发送换能器产生超声波；

C鉴相器鉴别出顺流发送驱动信号上升沿和所述上升沿后控制单元 MSP430时钟信号第一个上升沿的脉冲宽度，产生顺流鉴相信号脉冲(P_S1)， 使用所述脉冲，控制积分开关的闭合，使积分电路进行正向积分，之后启动 脉冲计数，利用时钟信号进行计时；

D超声波在流体中传播到达接收换能器，接收换能器将超声波信号转换 为电信号，送至信号预处理电路，获得接收信号，将接收信号送至鉴相器， 同时停止计数脉冲，计算脉冲个数，乘以时钟信号周期(T₀)，得到顺流时 差中非积分阶段的时差值；

E鉴相器鉴别出接收信号上升沿和所述上升沿后控制单元MSP430时钟 信号第一个上升沿的脉冲宽度，产生顺流鉴相信号脉冲(P_S2)，使用所述脉 冲控制积分开关的闭合，使积分电路进行反向积分；

F将积分电路积分结果送至控制单元MSP430内部ADC，由ADC转换 结果得到顺流时差中脉冲计数无法计量的不足一个周期部分的时差值 (T_S1-T_S2)，结合步骤D中顺流时差中非积分阶段的时差值，最终可分别得 到顺流时差(T_S)；

G控制发送切换开关/.接收切换开关，使换能器A、换能器B发送/接收 超声波的过程处于逆流状态；

H依据顺流时差测量步骤，得到逆流时差(T_N)；

I将逆流时差减去顺流时差，得到最终时差式超声波流量计时差值(ΔT)。

所述方法在脉冲计数测量时差的基础上，通过鉴相器、积分电路和ADC 对脉冲计数的误差部分进行转换测量，实现流量计时差的精确测量；所述方 法中脉冲计数信号来源采用流量计控制单元MSP430输出的时钟信号，所述 脉冲计数存在计量误差，所述计量误差经鉴相器识别后由积分电路转换为电 压，所述电压送至流量计控制单元MSP430内部ADC，由所述ADC转换结 果结合脉冲计数结果，最终可得时差式超声波流量计时差。上述方法利用时 差式超声波流量计控制单元MSP430内部ADC和时钟信号，可免除现有时差 式超声波流量计的计时芯片，很好地降低成本；对于时差式超声波流量计控 制单元MSP430内部12位ADC和8M时钟信号输出，积分电路从零积到饱 和的时间可由微秒级别降至125纳秒，在只考虑ADC转换误差的情况下， 所述方法精度可达30皮秒。

如图3所示，上述方法是通过时差式超声波流量计时差测量系统得到， 所述系统包括：控制单元、发送驱动电路、发送切换开关、换能器、接收切 换开关、信号预处理电路、鉴相器、积分开关和积分电路；所述控制单元， 用于转换积分电路积分结果及对引出的时钟信号作用于顺逆流时差测量中脉 冲计数部分的计时；发送驱动电路，用于产生发送驱动信号，驱动发送换能 器发送超声波；换能器，用于发送/接收超声波；发送切换开关，用于选择可 发送超声波的换能器；接收切换开关，用于选择可接收超声波的换能器；信 号预处理电路，用于处理所述换能器接收到的信号，使形成接收信号；鉴相 器，用于发送驱动信号和时钟信号、接收信号和时钟信号的脉冲宽度；积分 开关，在鉴相器鉴相信号的控制下，控制积分电路的导通闭合状态；积分电 路，在所述积分开关导通状态下对标准输入进行积分。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本 发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内 的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的 形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所 附的权利要求书所界定的范围为准。