超低功耗、高精度礦用超聲波氣體流量計系統研究*

馬 超，張建義，袁嫣紅

(浙江理工大學教育部現代紡織裝備技術工程研發中心，浙江杭州310018)

0 引 言

近10年來，隨著電子技術的迅猛發展，微處理器技術和高速數字信號處理技術進步顯著，新材料、新工藝促使超聲波探頭適用面更廣，精確度更高，超聲波流量測量技術取得了長足的進步［1］，正在快速發展成流量測量領域(尤其是計量碳氫化合物)的首選。超聲波流量計作為一種非接觸式流量計，較之傳統流量計具有眾多優勢，具體包括:適用于不同管徑大小的氣體流量，且無流阻、無壓力損失;測量精度高，能耗低;較低的總體擁有成本;操作簡便易上手［2］。

但是，研究者也不能忽視當下超聲波流量計存在的缺點，例如信號接收發送模塊采用大量分立元件搭建而成，電路復雜且測量精度難以提升;低功耗設計稍顯不足，一般工作壽命為1年左右;井下使用高壓電源激勵超聲波換能器工作，存在安全隱患。

因此，本研究針對上述不足設計一款礦用超聲波流量計，其具有測量精度高、功耗低、外設豐富等優點，有望在市場推廣。

1 基于時差法的流量算法分析

本研究提出的礦用超聲波流量計是基于時差法測定管道內瓦斯流量，其原理是:通過兩次上、下游換能器對射，獲得超聲波束在管道瓦斯中順、逆流傳播時間差值計算出流體的流速，進而換算成瓦斯流量。其測量原理與換能器管道安裝位置如圖1 所示。

圖1 換能器管道安裝位置

筆者在管道上游B 和下游A 處分別安裝一個發射/接收一體式超聲波換能器，用以發射或接受超聲波束，使兩個換能器分時處于發射和接收狀態。超聲波以入射角(即L 與管道中心軸線的夾角)對射時，設超聲波束沿氣體順流方向傳播速度為t1，逆流傳播時間為t2。當氣體流速以V 速度流動，超聲波在氣體中的實際傳播速度C1是聲速C 與流體速度V 在超聲波傳播聲道方向上的分量Vcosθ 的疊加，即:

超聲波信號在流體中順流和逆流的傳播時間分別為:

由上述兩式可推導出上、下游時間差ΔT:

超聲波在氣體中的傳播速度大約為340 m/s，一般情況下C2?V2，因此可將式(4)簡化為:

式中:L，θ—管道幾何尺寸參數和超聲波換能器安裝的位置參數，只要在加工以及安裝過程中限定好精度要求，誤差一般很小;參數C—超聲波在流體中的傳播速度，由于溫度、壓力以及氣體雜質對其影響較大，在進行速度計算過程中，不可避免引入測量誤差。因此本研究通過變量代換從公式中剔除超聲波速度C，變換如下:

將以上兩式相減，可以得到剔除C 參數的V 表達式:

化簡后的V 表示式中不存在超聲波速度參數C，因此規避了測量現場溫度、氣壓以及雜質引入的測量誤差可能，使得測量結果更為精確，穩定。由公式(1～9)得到管道內瓦斯氣體線平均速度V，但實際儀表在計算管道流體流量的過程中，需要引入流速修正系數K 將上式得到的線平均流速折算為截面平均流速，關系式如下:

通常修正系數K 是根據流體動力學模型計算得出，之后通過實驗標定進行校準。本研究提出的流量計采用單聲道超聲波流量計，管道瞬時流量可簡單表示為:

式中:D—瓦斯管道內徑。對于圓柱形瓦斯管道，截面面積A=πD2/4。根據推導過程，本研究用該超聲波流量計測定管道內瓦斯流量，影響測量精度的關鍵因素只與管道加工精度、換能器安裝角度和上、下換能器順、逆流傳播時間有關，而與煤礦現場的溫度、氣壓等參數無關［3-4］。

2 系統總體設計

本研究設計的礦用超聲波氣體流量計要求在惡劣的井下環境中長時間、穩定作業，并能保證瓦斯流量測量精度以及實現智能化處理和操作。因此系統的設計著重放在以下3 個方面:低功耗設計、高精度測量以及全面的功能模塊。①低功耗方面，本研究選用超低功耗單片機EFM 作為流量計系統的微控制器，該芯片只有現有8 位、16 位、32 位MCU 的四分之一功耗，并且具有高效的處理能力和豐富的外設接口;②流量測量精度方面，本研究摒棄了傳統超聲波流量計采用大量分立元件搭建接收發模塊的設計思想，根據時差法測量的基本原理，選用時下出色的時間測量芯片TDC 作為核心元件。TDC-GP22 作為一款高精度、小封裝元件，集成了時間間隔測量模塊、脈沖信號發生模塊、溫度測量模塊等，極大地提高了整個系統的集成度，非常適用于低成本的工業應用領域［5］;③功能模塊方面，依托于EFM 微控制和TDC 時間測量芯片，外圍搭建了采集模塊、數據存儲模塊、485 通訊模塊和人機交互模塊，即可實現對流量、溫度、壓力和濃度檢測功能，并實時顯示到液晶屏幕上。系統總體設計框圖如圖2 所示。

該設計方案采用管道上下游多次發射及接收超聲波束，得到超聲波在氣體中順方向傳播時間t1、逆方向傳播時間t2以及時間差值Δt，代入式(1～9)計算得到流量流速。

圖2 系統總體框架

如圖2 所示，在進行流量測量時，微處理器通過SPI 方式控制TDC 中的脈沖發生器FIRE_UP 端口產生激勵脈沖，發射的波形為方波，頻率為200 kHz。脈沖經過上游前端電路驅動放大以及濾波處理激勵上游超聲波換能器發出超聲波束，此時上游換能器處于發射狀態，下游換能器則為接收狀態。同時脈沖發生器產生一個START 信號開啟TDC 內部計時模塊，開始計時。上游超聲波換能器產生的超聲波通過管道中的瓦斯氣體以一定的時間間隔傳播到對面，下游換能器接收到超聲波信號，將其轉換為電信號，經過后端處理電路去噪、放大以及設定比較閥值獲取到一束波形良好的正弦波，通過過零檢測來確定信號達到時刻，同時產生STOP 信號停止TDC 的計時模塊，順流測量結束。

同理，下游換能器發送超聲波，上游接收，逆流測量結束。隨后CPU 通過SPI 讀取TDC 結果寄存器值，通過D/A 轉換得到傳播時間t1和t2，代入時差法公式計算流量。

3 基于時差法的測量電路

時差法超聲波流量計是通過測量超聲波在流體中的順逆流傳播時間差值，進而計算出管道內瓦斯流量，故傳播時間差值的高精度測量是該測量系統的關鍵［5］。此外考慮到換能器參數以及低功耗要求，本研究圍繞TDC 芯片設計了如下控制電路方案:

3．1 前端信號驅動電路

傳統的超聲波激勵方式一般采用一定占空比的方波，或者利用CMOS 模擬開關產生一組調幅激勵脈沖來激勵換能器。上述方式通常存在電路穩定性差、脈沖頻率調節困難以及功耗大等缺陷。本研究摒棄了傳統流量計采用分立元件搭建接收發送電路的思想，選用TDC-GP22 作為時間測量芯片，集成有高速脈沖發生器，單次最多可以發送頻率和相位都可調的127 個脈沖［7-8］。此外聲速在空氣中傳播速度大約為，時間差值在微秒(μs)級別，這就要求時間測量電路精度在納秒(ns)級別甚至皮秒(ps)級別，而TDC 的測量精度為90 ps 級，因此符合要求。

圖3 流量測量電路方案設計

本研究設計的驅動電路主要完成對信號驅動作用，使得能夠激勵上、下游換能器工作。流量計測量的對象是氣體流量，超聲波在氣體中的衰減系數大，接收到的信號非常微弱，因此需要提高驅動電壓，但流量計系統所處的環境又是易燃易爆的場所，不宜使用過高的電壓。考慮到安全性以及所選用的超聲波換能器的技術參數要求，本研究提出了一種解決方案:基于MD1211 和TC6320 兩款芯片搭建驅動放大電路，MD1211 和TC6320 均為高速雙MOSFET 驅動器，前者專為在需要高輸出容性負載電流的超聲應用中，驅動高電壓N 溝道和P 溝道MOSFET 管而設計;后者能夠將5 V 輸入電壓升壓至高達200 V，可控范圍大，易于調節。從而就能將TDC-GP22 產生的3．3 V 脈沖信號驅動放大至足夠激勵換能器正常接收發工作，此種方案較之前傳統超聲波流量計外接高壓電源方式不同，具有安全系數高、電路設計簡潔等優勢。

3．2 后端信號處理電路

該系統由TDC-GP22 產生200 kHz 方波信號，經過驅動放大電路后作用于上游換能器發出超聲波，超聲波束在氣體中傳播，被下游端換能器接收，轉為一很微弱的正弦交流信號，采用低壓驅動最大幅值僅10 mV以下，并夾雜了噪聲源［9］，大大降低了GP22 對于時間差值的測量精度，造成了測量誤差。因此系統必須在接收換能器后端與TDC-GP22 芯片之間添加信號處理模塊。本研究提出了一種基于MD0100 和INA331 芯片搭建的濾波放大電路方案。INA331 是一款低功耗、單電源CMOS 儀表放大器，能夠將后端換能器接收的信號放大至原來的數倍再傳入GP22 中，從而大大提高了最終測量結果的精度;MD0100 作為T/R 開關，其原理是低壓導通，在這里起到了兩個作用:①保護后端電路不被高壓所擊穿;②充當模擬開關，發送時處于關閉狀態，接收時切換為開啟狀態。

4 功耗和精度優化

4．1 超低功耗優化

該項目設計的礦用超聲波流量計有電池供電和煤礦供電站供電兩種方式，電池供電是一組3． 6 VDC 1 300 mAH鎳氫電池，供電站供電除了流量計還需要給其他許多設備供電，無論哪種方式，流量計的功耗必須進行控制，就必須采用低功耗設計手段。

設備的功率損耗，簡稱功耗，指其硬件電路器件上輸入功率和輸出功率的差額。功率公式為:

式中:U—工作電壓，I—工作電流。

流量計輸入端電池供電電壓U 為3．6 V，電流I 為整個電路電流總和，由于電壓值基本固定，一般采取措施降低電流消耗，從而實現流量計低功耗要求。本研究從硬件電路和軟件程序兩方面考慮采取對應措施，從而實現流量的超低功耗。

4．1．1 硬件低功耗措施

隨著設計流程的發展，芯片的集成度達到了上千萬門級。一顆最頂級的芯片總功耗就可以達到驚人的100 W～150 W，單位面積功耗可以達到50 W/cm2～75 W/cm2，而局部熱點的功耗更大。因此對于電池供電設備，芯片功耗的問題不容忽視。

本研究在硬件低功耗設計上從以下幾個方面采取措施降低系統功耗:①MCU 選型，系統選用EFM32 芯片作為核心處理器，主要從兩方面考慮:具有創新性的低功耗技術，休眠模式下電流達到級別;作為一款32位處理器，具有豐富的外設接口以及強大的運算能力，滿足了流量計功能要求;②數字時間芯片選型，TDCGP22 不僅僅是計時芯片，同時也是針對超聲波熱量表(流量計)所設計的專用集成芯片，3 V 供電時流入高速振蕩器的電流為130 μA/s，實際應用中高速晶振的開啟時間大約為2 ms，其平均功耗為0．26 μA，相比較傳統分立元件搭建的接收發送電路，功耗上是一個極大的提升;③此外，系統每個功能模塊都配有一個電源控制電路，獨立開啟或關閉當前模塊電源供給，極大降低電路不必要的電流消耗，控制電路如圖4 所示。

圖4 電源控制模塊

4．1．2 軟件低功耗措施

系統軟件設計主要是EFM32TG842 的程序設計，分為以下幾個部分:流量、溫度、壓力和濃度參數的采集和優化處理;系統軟件根據設定的時間間隔將歷史數據存儲至鐵電中;通過液晶屏實時顯示儀表數據，能通過鍵盤模塊修改內部設定參數;最后實現了與計算機的串口通訊，其程序流程框圖如圖5 所示。

程序主要分為工作和休眠兩個部分。工作時，程序開啟高速時鐘，各模塊電源供給，進行流量、溫度、壓力和濃度數據采集，并實時顯示到液晶上;采集完畢，程序關閉時鐘，關閉各模塊電源供給，進入深度休眠，等待下一次喚醒。

系統程序主要從控制工作時鐘頻率、合理開啟和關閉電源供給、采集算法優化以及進入芯片低功耗模式這幾個方面進行程序編寫。

圖5 軟件程序流程圖

(1)工作時鐘頻率控制。系統采用32 MHz 和32．768 kHz兩種晶振配合使用，不同模塊所需要的工作頻率也略有不同。動態配置系統的時鐘頻率是以不犧牲系統的性能和實現基本功能為前提，動態管理系統的工作頻率來降低功耗。時鐘頻率是影響動態功耗的重要因素，它的工作頻率越高，功耗也越大。但是在很多時候，所有模塊并不是工作在同一時鐘頻率，或者同一個模塊在不同的時段可以工作在不同的時鐘頻率。因此，程序需要針對系統不同時段所需的時鐘頻率進行調度:只有當芯片工作需要高頻時鐘時開啟，其余時間切換成低頻時鐘，保證基本工作需要。

(2)模塊電源供給管理。系統通過CPU 管腳控制穩壓電源芯片工作使能管腳狀態，從而實現電源供給開啟和關閉要求。控制流程如下:程序根據標志位來決定模塊是否工作，通過CPU 管腳開啟即將工作的模塊的獨立電源，初始化芯片內部寄存器并開始工作，工作結束關閉該模塊電源供給。如此保證了模塊不工作時無電流消耗，從而降低整個系統功耗

(3)算法。系統主要針對數據采集和數據處理兩方面進行優化。系統在保證數據精確度前提下，提升采集速率，減少工作時間，使得工作時間減少，降低系統的功耗。不過由于采集數量小，效果不是很明顯。

4．2 測量精度優化

超聲波流量計作為礦用參數監控儀表，測量精度是一個重要的參數指標。為了提高系統的測量精度，就必須對影響測量精度的可能因素進行分析、研究，然后采取行之有效的方法盡可能地減少甚至消除各種誤差。根據上文所述的時差法核心算法分析可知，本研究將系統誤差產生的可能因素分為機械、硬軟件兩個方面［10］，并分別提出相應措施，具體如下。

4．2．1 機械方面

機械方面，根據流量計算公式可知，流速V 與上下游換能器間距L 成正比關系，所以間距L 是影響聲速的一個較為重要的因素。在實際測量中，本研究采用千分尺、等精度較高的長度測量儀器去測量換能器間距，其誤差一般能控制在小于0．5%;此外超聲波換能器的安裝角度θ 為換能器間距L 和管道中心軸的夾角，倘若該夾角有0．1°的測量誤差，那么將導致1．7%的流量測量誤差。因此在實際產品安裝過程中，必須合理、精確地安裝換能器，這樣才能減少不必要的誤差產生;一般情況下，礦井內的傳輸管道均為圓形，管道內徑是流量計算的一個關鍵因子，由式(11)可知，流量與管道內徑的平方成正比，因而它的測量誤差將直接影響氣體流量的測量精度。在實際加工中，管道內徑長度的加工誤差是無法避免的，只能在計算時進行一些有效地修正，以減小內徑的測量誤差對測量精度的影響。

4．2．2 硬件、軟件方面

(1)硬件方面。在實際測量過程中，超聲波信號在非氣體中的時間延遲是難以避免的，主要有:電路延遲、程序執行延遲、換能器電聲轉換延遲和電纜延遲等。因此設計過程中需要通過一定的理論分析和實際測試確定信號的傳播延時，但是誤差還是難以避免。為了盡量減少由非氣體傳播延遲帶來的影響，除了對已確定的延時時間進行軟件補償之外，還要注意電路設計、PCB 板布線和換能器電纜安裝的對稱，由流量計算公式可知，是否能最大程度減少誤差由順、逆流對稱情況決定。

(2)軟件方面。該系統選用了TDC 高精度時間測量芯片，使得時差測量分辨率達到ps 級別。

在實際測量過程中，程序采用多次測量順逆流時間差值并剔除異值，最后求平均得到Δt 代入流量計算公式求值，如此做的好處是一定程度上提高了測量精度，但是這種普通平均的方法是無法消除量化誤差的，因為最小的量化階越已經固定，平均只能最高達到最小量化階越的精度。解決方案是:微處理發送指令配置寄存器，開啟TDC 內部集成的一個噪聲單元，這個噪聲單元主要功能就是在多次采樣取平均值的時候最大限度消除噪聲。通過這個噪聲單元的引入，使平均后的精度能夠低于量化階越的精度。此外通過微處理設置TDC 接收信號比較閥值，剔除了小幅度雜波，對提高測量時間差值具有重要作用。

5 實驗及結果分析

實驗過程中，軟件控制TDC-GP22 產生一組3．3 V、200 kHz 的脈沖，通過信號驅動模塊升壓至24 V，如圖6 中波形一所示，波形幅值、頻率均達到預期設定效果;下游換能器接收信號如圖6 中波形二所示，最大幅值A 為±20 mA。盡管后端加入了濾波電路，仍不可避免引入少量噪聲、雜波等干擾信號，因此軟件設置屏蔽窗口DELVAL 值為10 mV，意味著接收脈沖幅值只有達到10 mV，計數器才開始計數加一，如此保證了第一波檢測精度以及剔除了噪聲、雜波信號干擾，第一波接收時間t 如圖6 所示。

圖6 上、下游發送和接收波形實驗圖

實驗通過音速噴嘴氣體流量測試系統進行標定，管徑大小為25 mm，大氣壓力102．679 kPa，環境溫度14．1 ℃，檢定流量點為5 m3/h，14 m3/h，28 m3/h 和70 m3/h，通過記錄超聲波流量計表頭數據并與實際測量結果進行誤差計算與分析，檢定結果如表1 所示。

表1 檢定結果表

由檢定結果表可以看出該流量計在所測流量范圍內精度誤差為0．09%～0．18%之間，達到一級精度，檢定結論為合格。

6 結束語

本研究深入研究了時差法測量流量原理，結合當今超聲波流量計開發的新技術，設計了一種基于超低功耗單片機EFM32 和高精度時間測量芯片TDC-GP22的新型礦用超聲波流量計。本研究的創新點在于摒棄了傳統流量計采用分立元件搭建接收發送電路的思想，選用TDC-GP22 作為時差法核心元件搭建測量模塊，配合外圍功能模塊電路，實現了對流量、溫度、甲烷濃度和壓力等參數的采集，同時對提高測量精度和降低系統功耗提出了對應措施，最后通過音速噴嘴氣體流量測試系統對該流量計進行了流量檢定。

實驗結果表明，該流量計在所測流量范圍內誤差低，達一級精度，平均功耗僅為50 μA，較傳統流量計有眾多優勢，有一定的市場推廣使用價值。

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