基于TDC-GP2的時差式超聲流量計的設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)流體流量測量高精度和低功耗的設(shè)計目的，采用TDC-GP2高精度低功耗測時模塊，設(shè)計了一種基于ATmega32的時差式超聲流量計。通過實驗測量管徑為20 mm的管道中的家用自來水流量，得到系統(tǒng)測量精度為±1％，LCD上動態(tài)顯示瞬時和累計流量以及電池電量等參數(shù)，同時可以通過RS 232與外部通信，便于大規(guī)模應(yīng)用時由上位機對信息統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：TDC-GP2；低功耗；單片機；時差法

0 引言
流量計量是計量科學技術(shù)的重要組成部分，流量測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于水利、化工、農(nóng)業(yè)、石油、冶金以及人民生活各個領(lǐng)域。
現(xiàn)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，將超聲波傳感器安裝在管道外側(cè)，可以實現(xiàn)非接觸測量，同時對流體流動不產(chǎn)生干擾，設(shè)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(yīng)用。

1 時差式超聲波流量計簡介
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所載流體的流速信息來測量流體流量的。它通過超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測的電信號，實現(xiàn)流量的檢測和顯示。超聲波流量計根據(jù)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型，其中傳播速度差法又分為時差法、相位差法、頻差法。隨著現(xiàn)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，從而使得時差法的優(yōu)勢得到發(fā)揮。時差式流量測量原理圖如圖1所示。

圖1中，左側(cè)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)射時的傳播時間分別為：