基于TDC-GP2的时差式超声流量计的设计

摘要：为实现流体流量测量高精度和低功耗的设计目的，采用TDC-GP2高精度低功耗测时模块，设计了一种基于ATmega32的时差式超声流量计。通过实验测量管径为20 mm的管道中的家用自来水流量，得到系统测量精度为±1％，LCD上动态显示瞬时和累计流量以及电池电量等参数，同时可以通过RS 232与外部通信，便于大规模应用时由上位机对信息统一管理。
关键词：TDC-GP2；低功耗；单片机；时差法

0 引言
流量计量是计量科学技术的重要组成部分，流量测量技术广泛应用于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域。
现行的流量计主要有：容积式流量计、质量流量计、电磁流量计、涡轮流量计和超声流量计等。其中，对于腐蚀性、高温、高压流体流量测量时，将超声波传感器安装在管道外侧，可以实现非接触测量，同时对流体流动不产生干扰，设计和安装方便，测量精度较高，管径测
量范围宽，因而得到广泛的应用。

1 时差式超声波流量计简介
1．1 测量原理
自20世纪20年代初至今超声流量计的发展已有80多年的历史，超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。它通过超声波换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号，实现流量的检测和显示。超声波流量计根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法及空间滤波法等不同类型，其中传播速度差法又分为时差法、相位差法、频差法。随着现代电子技术的发展，集成芯片的集成度和处理速度得到很大程度上的提高，从而使得时差法的优势得到发挥。时差式流量测量原理图如图1所示。

图1中，左侧圆形管道里水流流速为v，管道直径为D，超声波在水中的传播速度为C，超声波传播方向与管道夹角为θ。于是，超声波顺流发射和逆流发射时的传播时间分别为：