CN104614028A - 用于超声波流量表的高精度时间校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声波流量检测领域，具体涉及一种用于超声波流量表的高精度时间校准方法。在每一次流量检测前利用作为超声波流量检测系统基础时钟驱动源的实时时钟晶振32768Hz来校准流量检测过程中使用的高频振荡器，由于实时时钟晶振32768Hz计时精准、稳定性高，能够解决高频振荡器稳定性差、频率随温度变化容易发生漂移的技术问题，实现高精度校准超声波传输时间的目的，显著提高超声波流量表的计量精度。

Description

用于超声波流量表的高精度时间校准方法

技术领域

本发明属于超声波流量检测领域，具体涉及一种用于超声波流量表的高精度时间校准方法。

背景技术

采用时差法原理制造的超声波流量表是目前流行的超声波流量表设计方法之一。其设计原理为：安装有双向超声波收发一体化换能器的流体测量管道，在顺流和逆流方向交替发射超声波信号并接收超声波产生回波信号，并以此计算出超声波在流体传播中，一次交替所产生的传播时差。后经相关转化数学模型计算出管道内流体流量。可以看出，对于超声波在换能器之间传输时间的准确测量在很大程度上影响着超声波流量表的计量精度。

在现有技术中，通常采用低频振荡器，例如实时时钟晶振32768Hz作为整个超声波流量检测系统运行的基础时钟驱动源。为了降低系统功耗，基础时钟控制流量检测程序间歇性启动，完成一次完整的顺、逆流超声波传输时间的测量及运算。而在流量检测过程中，则需采用高频振荡器，例如4MHz晶振或陶振作为检测时钟驱动源，其不仅能够满足激励换能器发出高频超声波的需求，还可以加速完成整个超声波发射、接收以及检测、运算等一系列程序，减少环境变化对测量准确性的影响。然而，高频振荡器的频率受温度等环境变化的影响较大，极易发生漂移，且相对于高频晶振，高频陶振的成本更低、起振更快，但是其频率稳定性更差、受温度影响更大，导致超声波传输时间的测量产生较大误差，严重阻碍了超声波流量表计量精度的进一步提高。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于超声波流量检测系统中的时间校准方法，采用低频晶振校准高频晶振或陶振，实现高精度校准超声波传输时间的目的。

为了解决上述问题，本发明给出一种用于超声波流量表的高精度时间校准方法，包括如下步骤：a) 启动时间校准过程：启动频率为f₁的低频振荡器和频率为f₂的高频振荡器，将低频振荡器时钟周期的任一上升沿或下降沿作为校准过程的开始，经过低频振荡器的n₁个预定的整数周期后作为校准过程的结束，在校准过程中测得高频振荡器的周期数为n₂； b) 得出时间校准系数：                                                ，c) 启动流量检测程序，测量得到超声波传播时间t₁，根据时间校准系数得出校准后的时间。

优选地，所述低频振荡器为实时时钟晶振32768Hz。

本发明的有益效果在于：利用作为超声波流量检测系统基础时钟驱动源的实时时钟晶振32768Hz来校准流量检测过程中使用的高频振荡器，由于实时时钟晶振32768Hz计时精准、稳定性高，能够解决高频振荡器稳定性差、频率随温度变化容易发生漂移的技术问题，实现高精度校准超声波传输时间的目的，显著提高超声波流量表的计量精度。

附图说明

图1是现有技术中的超声波流量检测系统示意图；

图2 是超声波传输时间计时方式；

图3 是高精度时间校准方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步阐述。

参见图1，在超声波流量表的检测系统中至少设置有微控制器、计时电路、激励信号输出电路、信号通道控制电路、第一换能器和第二换能器。其中，微控制器用于系统控制超声波流量表中各电路模块的工作，并将获得的计时数据结合温度、流管截面等其他因素综合计算出流体量；激励信号输出电路用于输出激励发射换能器的激励信号；信号通道控制电路用于将激励信号选择性地接入第一换能器/第二换能器，实现测量顺流/逆流流速的目的；而现有的计时电路通常采用具有高频晶体振荡器的计时电路来实现。

参见图2，超声波流量检测系统的运行过程是：采用低频振荡器，例如实时时钟晶振32768Hz作为整个超声波流量检测系统运行的基础时钟驱动源。为了降低系统功耗，基础时钟控制流量检测程序间歇性启动，完成一次完整的顺、逆流超声波传输时间的测量及运算。在流量检测过程中，采用高频振荡器，例如4MHz晶振或陶振作为检测时钟驱动源，不仅能够满足激励换能器发出高频超声波的需求，还可以加速完成整个超声波发射、接收以及检测、运算等一系列程序，减少环境变化对测量准确性的影响。在一次流量检测过程中，微控制器控制激励信号输出电路连接至第一/第二换能器并输出激励信号激励该换能器发出超声波信号，经过时间t1后被另一换能器接收产生回波信号，完成一次时间测量；再将激励信号输出电路连接至第二/第一换能器并输出激励波信号激励该换能器发出超声波信号，经过时间t2后被另一换能器接收产生回波信号，完成第二次时间测量。所述传输时间的测量同样通过计时电路中高频振荡器来实现，因此所述t=nT，其中T为高频振荡器的振荡周期。由于超声波在顺流和逆流中的速度不同，通过比较时间t1、t2的差值，就能换算出流体的速度，再根据流体流过截面的大小，就能得知流量。然而，高频振荡器的稳定性差、频率容易发生漂移，会导致超声波传输时间的计时出现较大误差，因此在本发明中，每一次涉及时间的测量过程前都需要采用计时精准、稳定性高的低频振荡器对计时高频振荡器的偏移进行校准。

参见图3，在微控制器（MCU）中设置捕获功能模块，将上述低频振荡器的时钟CLK1作为捕获功能模块的捕获触发源，其频率为f₁；将高频振荡器的时钟CLK2作为捕获功能模块的基本计数器的输入时钟，其频率为f₂。所述捕获模块可以设置为上升沿或下降沿异步捕获，计数模块可以设置为1倍分频、连续计数模式。在本实施例中，当模块运行后，将相应的一个上升沿捕获作为校准过程的开始，此时捕获中断记为A₀，此时捕获寄存器数值记为C₀，经过低频振荡器的n₁个预定的整数周期后作为校准过程的结束，此时测得捕获中断记为A_n，对应测得高频振荡器的捕获中断为C_n。则，所述方法测得的低频晶振的时钟CLK1的时钟周期数为n₁=A_n-A₀，测得高频振荡器的时钟CLK2的周期数为n₂=C_n-C₀。

由于低频振荡器频率稳定性高，因此在一次校准过程中的标准计时时间为，而高频振荡器的计时时间为，获得时间校准系数。为了提高时间校准系数的准确性，所述低频振荡器优选为实时时钟晶振32768Hz。

启动流量检测程序，通过高频振荡器的计时电路获得超声波传输时间为t₁，将其乘以时间校准系数得到校准后的时间。

在本发明中，经过n₁个低频振荡器的整数周期后，对应于高频振荡器的周期n₂可能不是整数个，存在正负一个时钟周期的误差，其误差在允许范围内且可以通过延长预定周期数n₁来减小此种误差，误差会随着n₁的数值增大而线性降低。

在本实施例中，采用带有捕获功能模块的MCU，例如MSP430型号的单片机中能够轻松实现整个时间校准过程，而在其他不带有捕获功能模块的单片机型号中还可以采用其他方法来实现时间校准过程，并不局限于此。

在每一次流量检测过程前，利用作为超声波流量检测系统基础时钟驱动源的低频振荡器来校准流量检测过程中使用的高频振荡器，解决高频振荡器稳定性差、频率随温度变化容易发生漂移的技术问题，实现高精度校准超声波传输时间的目的，显著提高超声波流量表的计量精度。

Claims (2)

1.一种用于超声波流量表的高精度时间校准方法，包括如下步骤：a) 启动时间校准过程：启动频率为f₁的低频振荡器和频率为f₂的高频振荡器，将低频振荡器时钟周期的任一上升沿或下降沿作为校准过程的开始，经过低频振荡器的n₁个预定的整数周期后作为校准过程的结束，在校准过程中测得高频振荡器的周期数为n₂； b) 得出时间校准系数：                                               ；c) 启动流量检测程序，测量得到超声波传播时间t₁，根据时间校准系数得出校准后的时间。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声波流量表的高精度时间校准方法，其特征在于：所述低频振荡器为实时时钟晶振32768Hz。