1 引言
超声流量计是近些年发展较快的一类流量计，它可以实现非接触测量，具有压损小、量程宽、测量管径范围大等优点，广泛应用于石油、化工、水处理等工业或民用领域。
采用时差法原理的时差式超声流量计在众多种类超声流量计中占据着很大比重，其测量的确定性是肯定的。但是现有的时差式超声流量计均以传统时差法作为理论方程，而传统时差方程中超声波在流体中的折射角θ、声道长度L、超声波在静止流体中的传播速度c等参数会随被测流体的工作状况（压力、温度）变化而变化，因而给计算带来较大误差。
本文利用改进算法并结合先进的超低功耗单片机设计出时差改进型超声流量计，提高了流量测量精度，进一步扩大了流量计的使用范围。
2 时差改进型超声波流量计测量原理
时差改进型超声流量计中的超声换能器采用外夹装的形式，如图1所示。
图中，θ1、θ2、θ3分别是超声波在声楔的入射角，在管壁中的折射角以及被测流体中的折射角。超声波在管道中的顺逆流传播时间分别为图t1、t2，根据传统的时差法可知顺逆流传播时间差为：
（1）
设TL为顺逆流的平均传播时间，则：
（2）
公式（1）除以公式（2），得：
（3）
再根据Snell公式：
（4）
式中：cL为声楔中的纵波声速。
结合公式（3）和公式（4），得：
（5）
因此，只要测出传播时间差和平均传播时间就可以得到流体的流速，然后利用k系数补偿得到面平均流速，进而求得流体的瞬时流量。
公式（5）与传统时差法的流速方程式相比较，消除了折射角θ3、声道长度L与c这3个参数的影响。引入的θ1是超声波在声楔的入射角，它是一个固定值，如果使用高精度的角度测量仪器如经纬仪来测量这个角度，其精度可达到12秒弧度，产生的流速误差小于0.1%。c1为声楔中的纵波声速，它随工况变化而变化的程度远小于静止被测介质中声速c的变化。因而，基于时差改进算法的流量计，其理论方程更为精确。
3 流量计的硬件结构
时差改进型超声流量计的硬件主要由超声换能器、超声波发射电路、接收电路，发射/接收转换电路和单片机系统组成。
3.1 超声换能器
本流量计中的超声换能器采用既能发射又能接收超声波的超声斜探头，它由PZT压电晶片、阻尼块以及声楔构成，T作频率1MHz。为了提高声程差，声楔选择聚砜材料并适当增加倾角。对换能器进行隔热安装，以降低温度变化对声楔中纵波声速cL的影响。
3.2 单片机控制及接口电路
在此流量测量系统中，采用的是TI公司生产的MSP430F413单片机。这种单片机具有片内外设丰富、功能强大、可以实现低功耗测量等优点，是近几年新发展起来的一类微处理器。
如图2所示，LCD是低电压静态液晶显示模块，它由单片机内部集成的LCD驱动模块驱动。32.768 kHz的振荡晶体外接于晶体振荡器XT1的输入输出管脚，由于芯片内部已经集成两个小电容，因此晶振可以直接与XT1的两个管脚连接而不必外接电容。选用低频晶振其目的是降低系统功耗。单片机的P1.5口输出周期方波信号，控制窄脉冲的发生，激励换能器发射超声波。方波的周期决定了测量的重复次数，为了节省电能，应尽可能减少超声波的发射时间，在流速变化不大的情况下适当增加测量重复的时间间隔，本设计中，每间隔ls发射一次超声波。
发射的超声脉冲信号到达接收换能器后被接收，经过接收电路转换成电信号送入单片机的比较器Comparator_A。Comparator_A一接收到超声波回波信号便触发定时/计数器A发生捕获，将计数值写入捕获比较寄存器CCR1中，捕获的计数值就是超声波从发射到接收所用的时间：为了保证时间值测量准确，需提高计数器的计数精度，故一般选用10MHz以上的高速计数器。在其它单片机构成的超声测量系统中，需外加高速计数器以满足计数要求，而本流量计中采用的MSP430F413单片机，其时钟模块里加入了FLL+（增强型锁频环）技术，在外部低频振荡器的驱动下能够获得很高的稳定频率，内部定时/计数器A可以选择这个高频信号作为时钟源，因此本测量系统不用外接高频计数器。
Comparator_A是MSP430F413的内置模拟比较器，它具有内部参考电压发生器。输入的信号与参考电压进行比较，形成的方波信号触发定时器发生捕获。因而使用这种单片机也不需外加比较器。单片机的P2.1口用来控制模拟开关，当输出高电平时，两个换能器的发射接收功能互换，实现逆流发射。重复上述过程，记录逆流发射时间，将顺逆流时间相减得到时间差Δt，再将两者平均可得到T1，根据时差法改进公式计算出的流量值显示在LCD上。
3.3 超声波发射电路
超声发射电路由触发器和发射驱动电路构成，如图3所示。由于激励脉冲宽度对超声发射的功率有很大影响，所以应调节合适的脉冲宽度（大约谐振周期的一半），使换能器处于最佳工作状态。这里精确的脉宽调制采用的是CD4528单稳态触发电路，6脚输的窄脉冲进入功率开关器件的栅极，开关器件导通，负载电容迅速放电产生前沿极陡的高电压脉冲，激励超声换能器发射超声波。功率开关器件采用的是新型VMOS场效应管（VMOSFET），它不但工作速度快，而且能够提高工作电压，增强发射信号强度，并具有极低的静态功耗，性能优于可控硅管和MOSFET。
3.4 超声波接收电路
超声波从发射探头到接收探头要经过一定的介质，能量会发生衰减，因此接收电路要将声波转换的电信号进行放大，并滤除超声波频率以外的其它干扰频率。本设计采用的是两级放大和检波电路。换能器输的电信号首先由二极管限幅，然后进入电压跟随器，电压跟随器靠近接收换能器放置，主要目的是实现与换能器的阻抗匹配且不降低信号的信噪比。通过跟随器的信号进入第二级选频放大电路，滤除掉超声波频率之外的其它干扰，最后再经过一级宽频放大电路，经由检波电路送入单片机的比较器输入端。
选频放大电路采用的是对称RC构成的双T滤波网络，如图4所示，双T网络作为集成运放的负反馈阻抗，构成带通滤波电路。RC双T网络构成的选频电路比其他形式的带通电路具有更好的选频特性。集成运放芯片的使用提高了系统的集成度，与目前多用的分立元件构成的LC选频电路相比，减小了系统体积。放大器选用的是MAX4237高精度低功耗运算放大器，可以低电压供电，具有高增益带宽（增益带宽积为7.5MHz），在本电路中运放全部采用单电源供电。MAX4237放大器具有关断模式，将端与单片机的I/O口相连，由单片机输出高低电平来控制放大器的状态，当8脚电压高于0.7Vcc后，放大器呈高阻状态，此时静态消耗电流可降低至0.1μA。
3.5 发射/接收转换电路
该流量计只使用一对超声换能器，顺流时，T1发射T2接收，逆流时T2发射T1接收。换能器功能的转换采用了TI公司的模拟开关CD4052。CD4052是双四选一模拟开关，它在单片机P2口的控制下实现开关转换。
4 低功耗设计思想
时差改进型超声流量计在设计上始终遵循功耗最低的原则，体现在硬件电路和软件设计两个方面。硬件上，选用功耗极低的微处理器，且内置液晶驱动模块；发射电路中虽然用到9V电压，但缩短超声波发射时间可以降低功耗；接收电路也均采用低功耗器件构成，并利用了器件的关断模式，再配合电源管理的设计，流量计可以实现电池供电。软件设计上，单片机大部分时间处于LPM3休眠状态，主程序只用来进行初始化、更新显示并转入休眠，一切控制及计算均在定时器中断子程序中完成。
5 结论
利用时差法改进算法设计的流量计，对超声波在流体中的温度补偿要求减少，原理既简单又精确，经验证可将测量精度提高约0.15%；使用功能强大的MSP430系列单片机作为系统核心，大大减少了外围设备的连接，缩小了仪表体积；低功耗芯片的选取以及节电方式的运用节省了流量计的电能消耗，使超声流量计可以实现电池供电。
参考文献
[1] 蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用.化学工业出版社2001.
[2] 赵涛，蒋雄伟，谢恒.基于89C51单片机的智能超声波流量检测系统的研制.仪表技术与传感器，1999，8.
