一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，所述方法在脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量時(shí)差的基礎(chǔ)上，通過(guò)鑒相器、積分電路和ADC對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的誤差部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)時(shí)差的精確測(cè)量；所述方法中脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)來(lái)源采用流量計(jì)控制單元MSP430輸出的時(shí)鐘信號(hào)，所述脈沖計(jì)數(shù)存在計(jì)量誤差，所述計(jì)量誤差經(jīng)鑒相器識(shí)別后由積分電路轉(zhuǎn)換為電壓，所述電壓送至流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部ADC，由所述ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)合脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果，最終可得時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差。上述方法利用時(shí)差式超聲波流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部ADC和時(shí)鐘信號(hào)，可免除現(xiàn)有時(shí)差式超聲波流量計(jì)的計(jì)時(shí)芯片，很好地降低成本。
【專利說(shuō)明】一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及流量測(cè)量設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種時(shí)差式超聲波流量 計(jì)時(shí)差測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)差式超聲波流量計(jì)在小流速流量計(jì)量時(shí)對(duì)時(shí)差測(cè)量精度要求高，現(xiàn)有采用FPGA 或CPLD電路搭配晶振形成的脈沖計(jì)時(shí)電路無(wú)法應(yīng)用于小流速流量計(jì)量，僅能用于大流速 或精度要求低的場(chǎng)合。對(duì)流量測(cè)量精度要求高或小流速場(chǎng)合，要提高流量測(cè)量精度，須相應(yīng) 提高計(jì)數(shù)脈沖頻率，然而計(jì)數(shù)脈沖頻率后期提升難度大，成本也較高。
[0003] 在時(shí)差式超聲波流量計(jì)中，對(duì)提高流量測(cè)量精度的研究與應(yīng)用比較成熟。現(xiàn)有研 究也有考慮到以上現(xiàn)有時(shí)差式超聲波流量計(jì)存在的流量測(cè)量精度問(wèn)題，如申請(qǐng)日為2011 年04月25日，申請(qǐng)?zhí)枮?01110103079. 7的一種高精度時(shí)差式超聲波流量計(jì)及其測(cè)量方 法，該發(fā)明專利講述的計(jì)時(shí)電路利用流量計(jì)計(jì)時(shí)芯片（如TDC-GP2)開發(fā)，計(jì)時(shí)方案計(jì)時(shí)分 辨率可達(dá)65ps，但這種方案采用的計(jì)時(shí)芯片為市面在售產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，占流量計(jì)成本比重 較大；還有一個(gè)申請(qǐng)日為2012年07月10日，申請(qǐng)?zhí)枮?01210236748. 2的高精度時(shí)差式單 脈沖超聲波流量計(jì)系統(tǒng)及其測(cè)量流量方法，該發(fā)明專利利用積分電路和微處理控制芯片A/ D功能開發(fā)的計(jì)時(shí)電路，消除了脈沖計(jì)數(shù)的計(jì)量誤差，但該發(fā)明專利未考慮ADC轉(zhuǎn)換誤差和 積分電路的非線性影響，只采用時(shí)間轉(zhuǎn)換為電壓值的單一測(cè)量方法，因此積分電路積到飽 和的時(shí)間須按最大量程2000ns選取，以12位ADC量化2000ns的時(shí)差，受制于ADC轉(zhuǎn)換誤 差和積分電路非線性，時(shí)差測(cè)量存在誤差。
[0004] 綜上，現(xiàn)有技術(shù)中存在如下缺點(diǎn)：
[0005] 1)采用FPGA或CPLD電路搭配晶振，系統(tǒng)復(fù)雜且計(jì)時(shí)分辨率僅為5-lOns，流量測(cè) 量精度低，適用范圍小；
[0006] 2)采用計(jì)時(shí)芯片TDC-GP2開發(fā)計(jì)時(shí)電路，分辨率可達(dá)65ps，但這種方案采用的計(jì) 時(shí)芯片為市面在售產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，占流量計(jì)成本比重較大；
[0007] 3)利用積分電路和微處理控制芯片A/D功能開發(fā)的計(jì)時(shí)電路，消除了脈沖計(jì)數(shù)的 計(jì)量誤差，但只采用時(shí)間轉(zhuǎn)換為電壓值的單一測(cè)量方法，受制于ADC轉(zhuǎn)換誤差和積分電路 非線性，時(shí)差測(cè)量存在誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種本發(fā)明提供了一種低成本、高精 度時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法。該方法利用時(shí)差式超聲波流量計(jì)控制單元MSP430 內(nèi)部ADC和輸出時(shí)鐘信號(hào)，使用輸出時(shí)鐘信號(hào)對(duì)順、逆流時(shí)差進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，針對(duì)脈沖計(jì)數(shù) 無(wú)法測(cè)量的不足一個(gè)周期的計(jì)量誤差，將時(shí)間轉(zhuǎn)換為電壓，結(jié)合MSP430內(nèi)部ADC，得到該部 分時(shí)差數(shù)值，從而得到最終順、逆流時(shí)差。該方法由于利用流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部硬 件資源，提高硬件利用率，免除現(xiàn)有流量計(jì)高頻時(shí)鐘電路或昂貴計(jì)時(shí)芯片，成本低廉；該方 法只需對(duì)不足一個(gè)周期的時(shí)差進(jìn)行積分，極大地減小了 ADC轉(zhuǎn)換誤差及積分電路非線性的 影響，在只考慮ADC轉(zhuǎn)換誤差的情況下，時(shí)差測(cè)量分辨率可達(dá)30皮秒。
[0009] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0010] 一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，所述方法包括：
[0011] 使發(fā)送/接收超聲波的過(guò)程處于順流狀態(tài)；
[0012] 通過(guò)發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生順流發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將所述信號(hào)送至鑒相器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā) 送換能器產(chǎn)生超聲波；
[0013] 鑒別所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿和所述上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)上升 沿的脈沖寬度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖p sl，使用所述脈沖、控制積分開關(guān)的閉合，使積分電 路進(jìn)行正向積分，同時(shí)啟動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)，利用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)；
[0014] 接收換能器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路處理所述電信號(hào)后 形成接收信號(hào)發(fā)送至鑒相器，同時(shí)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，乘以時(shí)鐘信號(hào)周期I，得 到順時(shí)差中非積分階段的時(shí)差值；
[0015] 鑒別出接收信號(hào)上升沿和上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)上升沿的脈 沖寬度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖P s2,使用所述脈沖控制積分開關(guān)的閉合，使積分電路進(jìn)行 反向積分；
[0016] 將積分電路積分結(jié)果送至控制單元MSP430內(nèi)部ADC，由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到順流時(shí) 差中脈沖計(jì)數(shù)無(wú)法計(jì)量的不足一個(gè)周期部分的時(shí)差值（T S1-TS2)，并根據(jù)順流時(shí)差值中非積 分階段的時(shí)差值，得到順流時(shí)差Ts;
[0017] 依據(jù)上述順流時(shí)差測(cè)量步驟，得到逆流時(shí)差TN ;
[0018] 將逆流時(shí)差減去順流時(shí)差，得到最終時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差值Δ T。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 本發(fā)明測(cè)量時(shí)差時(shí)利用時(shí)差式超聲波流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部ADC和輸出 時(shí)鐘信號(hào)，充分地利用流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部硬件資源，提高硬件利用率，免除現(xiàn)有 流量計(jì)的高頻時(shí)鐘電路或昂貴計(jì)時(shí)芯片，計(jì)時(shí)電路成本可降至現(xiàn)有流量計(jì)計(jì)時(shí)電路成本的 18% ；
[0021] 以MSP430外接8M晶振來(lái)獲得系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，本發(fā)明的積分電路從零積到飽和 的時(shí)間可降低至125納秒，即控制單元MSP430內(nèi)部ADC可用12位量化125納秒，因此量化 10 5 m' 誤差可達(dá)^= 3〇/w，極大地減小了 ADC轉(zhuǎn)換誤差，同時(shí)也可大大減少積分電路非線性 2 對(duì)時(shí)差測(cè)量的影響。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法流程圖；
[0023] 圖2是度時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量時(shí)序圖；
[0024] 圖3是時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般 技術(shù)人員可以提出本發(fā)明的多個(gè)結(jié)構(gòu)方式和制作方法。因此以下【具體實(shí)施方式】以及附圖僅 是本發(fā)明的技術(shù)方案的具體說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為本發(fā)明技術(shù)方案的 限定或限制。
[0026] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0027] 圖1所示，提供低成本、高精度時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量時(shí)序圖，結(jié)合圖1、圖 2對(duì)低成本、高精度時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法做進(jìn)一步說(shuō)明，所述方法包括以下步 驟：
[0028] A控制發(fā)送/接收切換開關(guān)，使換能器A、換能器B發(fā)送/接收超聲波的過(guò)程處于 順流狀態(tài)；
[0029] B發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生順流發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述信號(hào)送至鑒相器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能 器產(chǎn)生超聲波；
[0030] C鑒相器鑒別出順流發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿和所述上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘 信號(hào)第一個(gè)上升沿的脈沖寬度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖（p sl)，使用所述脈沖，控制積分開 關(guān)的閉合，使積分電路進(jìn)行正向積分，之后啟動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)，利用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)；
[0031] D超聲波在流體中傳播到達(dá)接收換能器，接收換能器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 送至信號(hào)預(yù)處理電路，獲得接收信號(hào)，將接收信號(hào)送至鑒相器，同時(shí)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)算脈 沖個(gè)數(shù)，乘以時(shí)鐘信號(hào)周期CU，得到順流時(shí)差中非積分階段的時(shí)差值；
[0032] E鑒相器鑒別出接收信號(hào)上升沿和所述上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第一 個(gè)上升沿的脈沖寬度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖（P s2)，使用所述脈沖控制積分開關(guān)的閉合， 使積分電路進(jìn)行反向積分；
[0033] F將積分電路積分結(jié)果送至控制單元MSP430內(nèi)部ADC，由ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果得到順流 時(shí)差中脈沖計(jì)數(shù)無(wú)法計(jì)量的不足一個(gè)周期部分的時(shí)差值（T S1-TS2)，結(jié)合步驟D中順流時(shí)差 中非積分階段的時(shí)差值，最終可分別得到順流時(shí)差（T s);
[0034] G控制發(fā)送切換開關(guān)/.接收切換開關(guān)，使換能器A、換能器B發(fā)送/接收超聲波的 過(guò)程處于逆流狀態(tài)；
[0035] Η依據(jù)順流時(shí)差測(cè)量步驟，得到逆流時(shí)差（TN);
[0036] I將逆流時(shí)差減去順流時(shí)差，得到最終時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差值（Δ T)。
[0037] 所述方法在脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量時(shí)差的基礎(chǔ)上，通過(guò)鑒相器、積分電路和ADC對(duì)脈沖計(jì) 數(shù)的誤差部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)時(shí)差的精確測(cè)量；所述方法中脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)來(lái)源 采用流量計(jì)控制單元MSP430輸出的時(shí)鐘信號(hào)，所述脈沖計(jì)數(shù)存在計(jì)量誤差，所述計(jì)量誤差 經(jīng)鑒相器識(shí)別后由積分電路轉(zhuǎn)換為電壓，所述電壓送至流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部ADC， 由所述ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)合脈沖計(jì)數(shù)結(jié)果，最終可得時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差。上述方法利 用時(shí)差式超聲波流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部ADC和時(shí)鐘信號(hào)，可免除現(xiàn)有時(shí)差式超聲波流 量計(jì)的計(jì)時(shí)芯片，很好地降低成本；對(duì)于時(shí)差式超聲波流量計(jì)控制單元MSP430內(nèi)部12位 ADC和8M時(shí)鐘信號(hào)輸出，積分電路從零積到飽和的時(shí)間可由微秒級(jí)別降至125納秒，在只考 慮ADC轉(zhuǎn)換誤差的情況下，所述方法精度可達(dá)30皮秒。
[0038] 如圖3所示，上述方法是通過(guò)時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)得到，所述系統(tǒng) 包括：控制單元、發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)送切換開關(guān)、換能器、接收切換開關(guān)、信號(hào)預(yù)處理電路、鑒 相器、積分開關(guān)和積分電路；所述控制單元，用于轉(zhuǎn)換積分電路積分結(jié)果及對(duì)引出的時(shí)鐘信 號(hào)作用于順逆流時(shí)差測(cè)量中脈沖計(jì)數(shù)部分的計(jì)時(shí)；發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)送超聲波；換能器，用于發(fā)送/接收超聲波；發(fā)送切換開關(guān)，用于選擇可 發(fā)送超聲波的換能器；接收切換開關(guān)，用于選擇可接收超聲波的換能器；信號(hào)預(yù)處理電路， 用于處理所述換能器接收到的信號(hào)，使形成接收信號(hào)；鑒相器，用于發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)和時(shí)鐘信 號(hào)、接收信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的脈沖寬度；積分開關(guān)，在鑒相器鑒相信號(hào)的控制下，控制積分電 路的導(dǎo)通閉合狀態(tài)；積分電路，在所述積分開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入進(jìn)行積分。
[0039] 雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采 用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】?jī)?nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本 發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化， 但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括： 使發(fā)送/接收超聲波的過(guò)程處于順流狀態(tài)； 通過(guò)發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生順流發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將所述信號(hào)送至鑒相器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)送換 能器產(chǎn)生超聲波； 鑒別所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿和所述上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)上升沿的 脈沖寬度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖Psl，使用所述脈沖控制積分開關(guān)的閉合，使積分電路進(jìn) 行正向積分，同時(shí)啟動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)，利用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)； 接收換能器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路處理所述電信號(hào)后形成 接收信號(hào)發(fā)送至鑒相器，同時(shí)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)，乘以時(shí)鐘信號(hào)周期I，得到順 時(shí)差中非積分階段的時(shí)差值； 鑒別出接收信號(hào)上升沿和上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)上升沿的脈沖寬 度，產(chǎn)生順流鑒相信號(hào)脈沖Ps2,使用所述脈沖控制積分開關(guān)的閉合，使積分電路進(jìn)行反向 積分； 將積分電路積分結(jié)果送至控制單元MSP430內(nèi)部ADC，由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到順流時(shí)差中 脈沖計(jì)數(shù)無(wú)法計(jì)量的不足一個(gè)周期部分的時(shí)差值TS1-TS2，并根據(jù)順流時(shí)差值中非積分階段 的時(shí)差值，得到順流時(shí)差T s; 依據(jù)上述順流時(shí)差測(cè)量步驟，得到逆流時(shí)差TN ; 將逆流時(shí)差減去順流時(shí)差，得到最終時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差值A(chǔ) T。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，其特征在于，所述方法 采用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)以及積分電路對(duì)脈沖計(jì)數(shù)無(wú)法計(jì)量的不足一個(gè)周期的部分進(jìn) 行轉(zhuǎn)換測(cè)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，其特征在于，所述鑒相 器鑒別順、逆流中發(fā)送驅(qū)動(dòng)/接收信號(hào)上升沿和所述上升沿后控制單元MSP430時(shí)鐘信號(hào)第 一個(gè)上升沿的脈沖寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差式超聲波流量計(jì)時(shí)差測(cè)量方法，其特征在于，所述方法 采用的時(shí)鐘信號(hào)和ADC是控制單元MSP430的內(nèi)部資源。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK104121956SQ201410366627
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】劉桂雄, 唐木森, 陳國(guó)宇 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)