基于TDC-GP2的時(shí)差式超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)流體流量測(cè)量高精度和低功耗的設(shè)計(jì)目的，采用TDC-GP2高精度低功耗測(cè)時(shí)模塊，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega32的時(shí)差式超聲流量計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量管徑為20 mm的管道中的家用自來水流量，得到系統(tǒng)測(cè)量精度為±1％，LCD上動(dòng)態(tài)顯示瞬時(shí)和累計(jì)流量以及電池電量等參數(shù)，同時(shí)可以通過RS 232與外部通信，便于大規(guī)模應(yīng)用時(shí)由上位機(jī)對(duì)信息統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：TDC-GP2；低功耗；單片機(jī)；時(shí)差法

0 引言
流量計(jì)量是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，流量測(cè)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(gè)領(lǐng)域。
現(xiàn)行的流量計(jì)主要有：容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和超聲流量計(jì)等。其中，對(duì)于腐蝕性、高溫、高壓流體流量測(cè)量時(shí)，將超聲波傳感器安裝在管道外側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，同時(shí)對(duì)流體流動(dòng)不產(chǎn)生干擾，設(shè)計(jì)和安裝方便，測(cè)量精度較高，管徑測(cè)
量范圍寬，因而得到廣泛的應(yīng)用。

1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)簡介
1．1 測(cè)量原理
自20世紀(jì)20年代初至今超聲流量計(jì)的發(fā)展已有80多年的歷史，超聲流量測(cè)量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來測(cè)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(cè)流體中，接收換能器接收后轉(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測(cè)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)和顯示。超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測(cè)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(shí)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(shí)差法的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮。時(shí)差式流量測(cè)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(shí)的傳播時(shí)間分別為：