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(1.常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州大學 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇 常州 213164)

0 引言

在我們?nèi)粘Ｉ畹某鞘泄庀到y(tǒng)中，氣體流量計發(fā)揮著不可或缺的作用。而在各種流量計量方法中，超聲波氣體流量計因其獨特的優(yōu)勢在天然氣計量方面的應(yīng)用已經(jīng)得到普及[1]?，F(xiàn)有多種超聲波氣體流量的測量方法，其中因為時差法克服了聲速隨流體溫度變動而產(chǎn)生的誤差，所以得到廣泛的應(yīng)用。對于用時差法來測量流量的超聲波流量計，提高精度的關(guān)鍵性在于更加準確地測量超聲波在氣體中順逆流傳播的時間差[2]。但是由于超聲波流量計在工作環(huán)境中有許多干擾，而且超聲波傳播速度很快，順逆流的時間差較小，所以就需要設(shè)計一種擁有高精度分辨率的電路來實現(xiàn)流量的精確測量。

為了得到較高精度的流量檢測結(jié)果，本文設(shè)計了一種基于美信半導體公司生產(chǎn)的MAX35104芯片為主體的超聲波氣體流量計，實現(xiàn)了高精度的時差測量，減小了系統(tǒng)的誤差。以STM32F103 單片機為控制芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)的超低功耗。本文從測量原理、硬件和軟件方面進行了闡述。

1 超聲波氣體流量計的基本原理

1.1 時差法的工作原理

時差法是通過超聲波換能器發(fā)射的超聲波在順流和逆流流體中傳播的時間差來間接測得流體的流速，然后再利用流速來算出流量的一種測量方法，如圖1所示。

圖1 時差法超聲波氣體流量計原理圖

L=D/sinθ

(1)

式中，D為管道直徑；θ為聲道與管道軸線的夾角；L為聲道長度；

在聲道L上，超聲波實際的傳播速度是聲速和流體軸向平均流速的疊加，順逆流的傳播時間分別表示為：

tAB=L/(C+Vcosθ)

(2)

tBA=L/(C-Vcosθ)

(3)

式中，V為管道中流體的傳播速度；C為超聲波在靜止被測流體中的流速；tAB為順流時的傳播時間；tBA為逆流時的傳播時間。

將(2)和(3)兩式聯(lián)立可得流體流速V：

(4)

式中，V為流體的傳播速度。

由上面公式計算可知：在測量流體流速時，只需經(jīng)過準確的計時系統(tǒng)對tAB和tBA進行采樣，并不需要得到超聲波的傳播速度。

1.2 時差法流量計算方程

實際的流體流速在管道截面上存在著流速分布，相對于在中心線上的單通道超聲波流量計，式(4)測量的流速V是管道截面直徑上的線平均速度，而測量流量需要管道內(nèi)截面的面平均流速Vm，V與Vm間存在一個流體修正系數(shù)K，兩者之間的關(guān)系可表示為：

V=KVm

(5)

從而瞬時體積流量Q可表示為：

(6)

式中，A為管道的橫截面積，對于流速修正系數(shù)K有如下的經(jīng)驗公式[3]：

(7)

在連續(xù)測量時，只需逐次將測量的Q值對時間進行積分，便可得在任意時間段內(nèi)的累積流量值Q累。如果要求將流量轉(zhuǎn)換為標準工況下的流量值，則需要對管道內(nèi)的溫度和壓力采樣。設(shè)管道內(nèi)溫度和壓力分別為T、P，則標準流量為 Flow=298PQ/(1.01×105T)。

2 高精度測時芯片MAX35104

2.1 芯片簡介

MAX35104是Maxim公司推出的新款時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。它具有高精度低功耗的特點，尤其適用于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。圖2為MAX35104芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 MAX35104內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

MAX35104具體關(guān)鍵特性如下：1)高精度單通道流量測量：時間到數(shù)字精度低至700 ps，測量范圍高達400 μs; 2)高精度溫度測量，一個雙線傳感器：支持熱敏電阻PT1000和PT500 RTD;3)器件和總系統(tǒng)功耗較低，電池壽命最大化：TOF測量時僅消耗62 μA電流，占空比測溫模式下，功耗為125 nA；事件計時模式和隨機函數(shù)發(fā)生器減小主控制器開銷，最大程度降低系統(tǒng)功耗；2.3～3.6 V單電源工作;4)高度集成方案將元件數(shù)量降至最?。簝?nèi)置實時時鐘；小尺寸，5 mm×5 m，40引腳、TQFN封裝；-40℃～+85℃工作溫度范圍[4]。

與現(xiàn)有的TDC-GP系列芯片對比可知，MAX35104芯片性能更優(yōu)越，功能更強大。除了具備原有的TDC-GP系列芯片功能外，還集成了超聲波氣體流量測量所需要的信號發(fā)射和信號處理模擬部分。比如可編程高壓(高達30 V)脈沖發(fā)射器提供高達19 dB的傳感器發(fā)射幅度調(diào)節(jié)，內(nèi)部模擬開關(guān)，可配置的三級集成運算放大器鏈放大器和超低輸入偏移比較器等等，使超聲波流量計的開發(fā)變得簡單，降低了人工成本和原材料，實現(xiàn)了更高精度、更低功耗、更高集成的超聲波氣體流量計方案。MAX35104芯片所實現(xiàn)的性能是TDC-GP系列芯片所無法達到的。

2.2 高精度時間間隔測量方法

MAX35104是通過對開始發(fā)射和命中停止之間經(jīng)過的完整和部分4 MHz時鐘周期的數(shù)量來計數(shù)，并計算總的飛行時間(TOF)，如圖3所示。

圖3 MAX35104芯片計時單元時序圖

每個TOF測量結(jié)果由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成。整數(shù)部分是用t4 MHz周期數(shù)的二進制表示。小數(shù)部分是將一個t4 MHz周期量化為16位分辨率的二進制數(shù)表示。整數(shù)的最大大小為7 FFFh即(215-1)×t4 MHz(8.19 ms)。分數(shù)的最大大小是FFFFh即(216-1)/216×t4 MHz。(249.9961 ns)。

2.3 早期邊沿檢測的原理

用于測量聲波TOF的早期邊沿檢測方法適用于包括TOF_UP，TOF_DN和TOF_DIFF在內(nèi)的所有TOF命令。該方法允許器件自動控制接收比較器的輸入偏移電壓，從而提供高精度的測量。如果在上升沿觸發(fā)，接收比較器的輸入偏移量可以編程為+127 LSB，如果在下降沿觸發(fā)，則為-127 LSB(1 LSB=VCC/3072)。上行接收信號和下行接收信號有單獨的輸入偏移設(shè)置。一旦檢測到第一次命中，則測量值等于最早檢測到的邊沿寬度時間t1。然后輸入偏移電壓立即自動返回到預編程的比較器偏移值。該返回偏移值的范圍為+127～-128 LSB，步長為1 LSB。提供這個預編程的比較器偏移值是用于可能存在于接收聲波中的共模偏移量。該芯片可以測量連續(xù)的命中，測量下一個選擇的波是t2波。如圖4所示，這是早期邊沿檢測波之后的第7波。

圖4 早期邊沿檢測原理圖

MAX35104會自動為用戶計算并記錄t1/t2的比率。該比率用于確定流速的急劇變化，接收信號強度以及部分填充管檢測和空管，一般來說其為0～1范圍之內(nèi)的數(shù)值。這個比值越小，那么接受到的信號越弱。如果經(jīng)過很長時間在管段或者換能器上有太多的沉淀物，這個信號的比值可能會降低到低于0.5，那么在今后的測量中可以選擇第二個脈沖作為參考。它還提供噪聲抑制功能，其時間屏蔽窗口是用于抑制回波信號前這段時間的噪聲，以防止錯誤的邊沿檢測。另外，比率t2/tIDEAL被計算并記錄給用戶，tIDEAL是發(fā)射脈沖周期的一半。該比率增加了確認t2波是強信號的概率，這就提供了對所接收回波共模偏移的洞察。

3 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

超聲波氣體流量檢測系統(tǒng)以STM32F103為系統(tǒng)控制核心，以MAX35104為計時測量核心，還包括電源模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、4～20 mA模塊等，其硬件電路的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)初始化后可以進入自檢程序，檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障時，對應(yīng)的故障指示燈亮起，同時蜂鳴器發(fā)出報警提示[5]。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方框圖

系統(tǒng)通過MAX35104內(nèi)部集成的高壓脈沖發(fā)射器產(chǎn)生超聲波激勵脈沖，同時觸發(fā)高速計數(shù)模塊開啟計時，激勵脈沖驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。超聲波信號達到接收換能器后，超聲波換能器產(chǎn)生極其微小的電壓值，經(jīng)過內(nèi)置的三級集成運算放大器以及帶通濾波器后獲得高信噪比的信號。信號在通過邊沿檢測后，觸發(fā)計時結(jié)束。在本設(shè)計中測量一次超聲波流量的傳播時間，需要測量一次順流傳播時間和一次逆流傳播時間，因此由MAX35104控制模擬開關(guān)將上游換能器和下游換能器進行切換。然后STM32讀取順逆時間再計算出流體的流量送到液晶顯示器上，并存儲于EEPROM中，也可以將STM32計算的數(shù)字量信號通過AD5420芯片轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號輸出，用于與其它設(shè)備連接。系統(tǒng)的電源模塊可以由鋰離子扣式電池供電[6]。

本設(shè)計以100 mm口徑超聲波氣體流量計為研究對象。根據(jù)超聲波換能器的選擇依據(jù)，本系統(tǒng)采用的超聲波換能器為日本富士公司生產(chǎn)的收發(fā)兩用壓電型超聲波換能器FUS-200A，頻率為200 kHz，材料為壓電陶瓷。

3.1 ARM處理器

STM32F103單片機是ST(意法半導體)公司采用Cortex-M3 內(nèi)核開發(fā)的32位單片機，ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核專門運用于低功耗高性能和低成本的領(lǐng)域。STM32的主頻最高可達到72 MHz，片內(nèi)存儲空間最高可以達512 Kb，并集成64 Kb的SRAM空間。STM32還具備睡眠、待機和停機三種低功耗模式[7]。

圖6 STM32F103與MAX35104的SPI端口連接圖

3.2 MAX35104的外圍電路

MAX35104芯片的外圍連接電路如圖7所示。MAX35104芯片外接兩個晶振，其中4 MHz的高速晶振用于時鐘校準和在邊沿測量中作為時間測量單元的一部分，32.768 kHz的晶振作為基準時鐘用來進行時鐘校準以及控制高速時鐘。TX_DNN和TX_DNP引腳連接上游超聲波換能器，TX_UPN和TX_UPP引腳連接下游超聲波換能器。T1接PT1000鉑電阻溫度傳感器，T2接參考電阻。整個測量系統(tǒng)所需的外部元器件較少，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖7 MAX35104外圍電路圖

3.3 超聲波發(fā)射電路

MAX35104具有兩個集成的高壓全橋換能器驅(qū)動器，一個用于上游換能器，一個用于下游。驅(qū)動器直接連接到換能器，無需任何外部元件。本系統(tǒng)在一次測量中需要發(fā)出8個脈沖信號對換能器進行驅(qū)動，驅(qū)動器在初始化后產(chǎn)生200 kHz的脈沖信號進行觸發(fā)。

MAX35104內(nèi)部有一個DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器設(shè)計為在非連續(xù)導通模式下工作，可以產(chǎn)生高達30 V的矩形脈沖信號。為了實現(xiàn)標準操作，升壓轉(zhuǎn)換器要求對誤差放大器輸出(COMP引腳)采用適當?shù)沫h(huán)路補償。補償電路設(shè)計的目的是在升壓轉(zhuǎn)換器開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)的交叉頻率下達到期望的閉環(huán)帶寬和足夠的相位裕度。芯片中包含的誤差放大器是跨導放大器。補償電路如圖8所示，其中：RZ=22 kΩ，CP=470 pF ，CZ= 10 nF。

圖8 補償電路圖

為了獲得最佳性能，采用開爾文式的連接方式，如圖9所示。在開爾文接法中，電流檢測電阻兩端的電壓檢測節(jié)點被放置在能夠測量檢流電阻上真實壓降的位置，而不是在銅PCB跡線或檢流電阻的焊錫過程中可能出現(xiàn)額外壓降的地方。將差分檢測線路沿相同路徑布線到器件并保持路徑較短，這樣可以提高系統(tǒng)性能。模擬差分電流檢測走線應(yīng)靠近在一起，以最大限度地提高共模抑制。

圖9 開爾文連接布局圖

3.4 超聲波接收電路

MAX35104擁有超聲波氣體流量計模擬部分的完整測量前端，這個部分可以作為數(shù)字輸入部分的一個替代輸入，大大簡化整個電路的設(shè)計。超聲波接收電路包括兩級運算放大器，帶通濾波器以及最終的比較器，如圖10所示。

圖10 模擬前端示意圖

接收換能器接收到的超聲波信號一般為幾十mV的正弦震蕩信號。模擬前端的第一級運放是固定的20 dB增益放大，首先內(nèi)部模擬開關(guān)自動將此放大器的輸入端連接到相應(yīng)的接收換能器上，然后對信號進行初級放大。第二級運放是可編程增益放大器(PGA)，PGA的可編程范圍為10 dB到30 dB，能夠滿足超聲波流量計對不同管徑以及不同介質(zhì)的測量需要。本設(shè)計中根據(jù)流量計的管徑以及測量介質(zhì)為天然氣，將PGA的增益設(shè)置為10.76。

帶通濾波器是一個具有可編程Q值和中心頻率的二階帶通濾波器。中心頻率可編程為125 kHz至500 kHz，每步長為3 kHz。本系統(tǒng)中換能器發(fā)射和接收的超聲波中心頻率為200 kHz，故將其設(shè)計成一個中心頻率為200 kHz的帶通濾波器，它可以讓200 kHz的超聲波信號順利通過，而阻止或衰減非200 kHz的超聲波信號及其它干擾信號。最后信號進入可編程偏移比較器，進行邊沿檢測。

3.5 液晶顯示電路和接口電路

液晶顯示電路采用的是東莞贛榮電子有限公司生產(chǎn)的HSD0017型號的液晶顯示屏，可以顯示流速、流量、電量以及運行時間等信息，同時可以顯示超聲波流量計的設(shè)計參數(shù)，如可編程增益放大器的放大倍數(shù)等。超聲波流量計具備多種通信接口電路，包括CAN 總線和RS485 通信接口，以便建立分布式監(jiān)控系統(tǒng)以及進行遠程數(shù)據(jù)讀取。除此之外，系統(tǒng)電路還有4～20 mA或0～5 V的標準信號輸出接口，以便遠距離傳輸數(shù)據(jù)[9]。

4 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在流量檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，主要包括兩個部分：一是時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片MAX35104對順逆流時間差的測量；二是微處理器STM32F103通過SPI 總線與MAX35104進行通信，對MAX35104內(nèi)部寄存器進行配置。然后讀取飛行時間的平均值并進行流量的計算和顯示，以及后續(xù)的傳輸?shù)鹊萚10]。

4.1 MAX35104時間間隔測量程序設(shè)計

MAX35104擁有三種不同的事件計時模式，分別對應(yīng)著三種測量指令。本系統(tǒng)中使用的是事件計時模式2，對應(yīng)著EVTMG2指令。執(zhí)行EVTMG2指令會使TOF_DIFF指令自動執(zhí)行，并具有可編程重復頻率和可編程總計數(shù)，如圖11所示。

圖11 EVTMG2指令的飛行時間測量流程圖

在執(zhí)行EVTMG2指令期間，每個TOF_DIFF指令執(zhí)行周期都會使芯片自動計算TOF_DIFF測量值(AVGUP寄存器減去AVGDN寄存器)以及TOF_DIFF測量值的平均值(TOFF_DIFF_AVG寄存器)。事件計時1寄存器中TDF [3:0]位的設(shè)置決定了執(zhí)行TOF_DIFF指令的頻率。事件計時1寄存器中TDM [4:0]位的設(shè)置決定了序列期間要執(zhí)行的TOF_DIFF測量次數(shù)。

一旦獲得了序列中的所有TOF_DIFF測量值，TOF_DIFF_AVG寄存器包含每個TOF_DIFF指令測量的結(jié)果寄存器(AVGDN和AVGUP)中的平均差值。當TOF_DIFF_AVG寄存器更新后，中斷狀態(tài)寄存器中的TOF_EVTMG位被置位，INT(——)引腳被置位(如果使能)。

4.2 主控制器時間測量程序設(shè)計

流量檢測系統(tǒng)的主控制器時間測量流程圖如圖12所示。當系統(tǒng)上電后STM32通過SPI接口實現(xiàn)與MAX35104的通信，選通MAX35104并對其寄存器進行配置，包括測量的頻率、測量的次數(shù)等等。接著微處理器發(fā)送EVTMG2指令使MAX35104進入時間差測量的大循環(huán)。由MAX35104內(nèi)部ALU單元完成傳播時間的計算，一次測量完成后觸發(fā)中斷，通知微處理器讀取測量到的時間數(shù)據(jù)。

圖12 主控制器時間測量流程圖

5 系統(tǒng)測試

流量檢測系統(tǒng)試驗采用內(nèi)徑為100 mm的管道，其超聲波換能器在管道上的安裝角度為45°。將樣機與江蘇進源儀表廠的JY-LUGB系列100 mm管徑的渦街氣體流量計測量的數(shù)據(jù)進行對比，渦街流量計的精度優(yōu)于±0.5級，作為標準測量值。本次檢定的流量點為：qmin，qt，0.25qmax，0.4qmax，0.7qmax和qmax。為了測定各流量點的重復性，在每個流量點測量3次，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 流量測量結(jié)果

在行業(yè)標準JJG1030—2007規(guī)定環(huán)境下進行測試，qmin為10 m3/h，qt為84 m3/h，qmax為500 m3/h。從表1中可以看出，各個流量檢定點的相對誤差不大于±1.0%，數(shù)據(jù)重復性誤差不大于0.2%。參考《中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程》，其測試結(jié)果表明，采用MAX35104芯片設(shè)計的超聲波氣體流量計達到1.0的精度[12]。但在實際檢測中，還存在著管道中的雜質(zhì)以及流體流動狀態(tài)的干擾，并且安裝精度也會對結(jié)果產(chǎn)生影響，這些有待改進。

6 總結(jié)

本文介紹了基于MAX35104的超聲波氣體流量檢測系統(tǒng)的設(shè)計，充分利用MAX35104芯片自身高集成度和邊沿檢測的特點，借助高精度的時間間隔測量模塊，實現(xiàn)了流速的精確測量。經(jīng)過STM32F103的數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)瞬時流速和累積流量的測量。該設(shè)計提高了超聲波流量計的精度，降低了系統(tǒng)的功耗和體積，尤其適用于低功耗和高測量精度的場合。通過試驗驗證，采用MAX35104專用時間測量芯片研制的超聲波流量計控制和使用非常方便，系統(tǒng)的可靠性和精確性達到設(shè)計安裝要求，測量準確度可以達到1%，具有很高的實用價值。