基于FPGA的高精度液体密度测量仪设计

崔永俊 李康康 杨卫鹏

（1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引 言

密度是一种表征物质属性的重要物理量，是工业生产控制与决策中必须要考虑的重要指标[1]。企业液体原材料库管收发、战斗机加油等其他情境下，都需要适时精确测量密度来判断液体原材料或战机使用航空油是否合格。而传统液体密度测量仪如振动式液体密度测量仪、电容式液体密度测量仪存在着精度太低，维护不易的问题；射线式液体密度测量仪，存在辐射危害的问题[2]。

近年来，随着高新科技的发展，提出了超声法测量液体密度的新思路。目前，我国的超声波密度测量仪还处于早期研究阶段，成品密度测量仪大多引进国外科研技术[3]；而国外的超声波液体密度测量仪产品已经相对趋于成熟，欧美一些公司都推出了自主研发的超声波液体密度测量仪成品。这些密度测量仪精度高、响应速度快、性能稳定，且对现场工作环境要求低，能够满足不同性质的液体密度测量需求，已经成功运用于工业生产中[4]。

为解决传统密度测量仪不能满足现代化工业生产需求的问题，设计了基于FPGA的高精度液体密度测量仪。该系统作为一种非接触式密度测量仪，只需将超声波换能器安装在装有待测液体的容器外壁，通过测量超声波在液体中的传播时间即可快速实现液体密度的精确测量，而且安全，易于维护。

1 高精度液体密度测量仪的工作原理

1.1 测量原理

时差法测量液体密度的原理是：当超声波在液体中传播时，相位会随着传播时间的不同而发生不同改变[5]。在传播距离一定的情况下，超声波传播时间的长短与液体的密度是相关的。超声波在液体中传播速度与液体的密度存在的以下关系[6]：

式中：C——超声波在液体介质中的传播速度；

ρ——液体的密度；

E——液体的弹性模量。

式中：ΔΤ——超声波在液体中的传播时间；

L——超声波在液体中的传播距离。

结合式（1）和式（2），可计算得出待测液体的密度为

由式（3）可知，在超声波传播距离L已知的情况下，只要精确测量出超声波传播时间ΔΤ，就可以计算出液体密度。

1.2 换能器安装示意图

系统设计中采取分步式安装超声波换能器。如图 1 中 2 对换能器（ЕΑ1与ЕB1、ЕΑ2与ЕB2）分别十字交叉相对等高安装在盛有待测液体容器的竖直外壁上。容器中的液面高度必须高于换能器，以便超声波穿过液体，从而保证测量数据的有效性。系统利用一组换能器测得一个密度值ρ1，通道切换电路进行通道切换，系统使用另一组换能器完成又一次测量，得到另一个密度值ρ2，最终，液体密度值为

图1 换能器安装示意图

2 系统方案设计

液体密度能否精确测量的关键在于超声波传播时间的精确测量。常用的超声波密度测量方法有计数法和相位法。计数法虽然实现起来比较简单，但是对传播时间的测量精度理论上只能达到驱动信号的一个周期，实际测量精度还要更低[7]。相位差法测量超声波传播时间存在不可避免的问题：在实际相位差测量中，若两个信号相位差恰好为信号周期的整数倍数，就会产生波形重合，无法测量相位差的真实大小，最终导致测量密度失败[8]。

为解决以上问题，系统采用超声波时间测量方法——整零分测技术。如图2所示，首先采用计数法测量超声波在液体中传播时间的整数倍周期部分，再用相位差法精确确定小于一个周期的传播时间部分，最终两者相加结果即为精确的超声波传播时间。

设计数器锁存信息为n，信号周期为T，相位法测得相位差为ΔØ，则可得到：

图2 超声波传播时间测量示意图

即

把式（6）带入式（3）中即可计算出待测液体密度为

3 总体系统结构设计

高精度液体密度测量仪的结构主要包括超声波换能器组、通道切换电路、放大电路、相位比较电路、功率放大电路、滤波电路、整形电路、A/D转换电路、D/A转换电路、FPGA核心控制电路、中央处理器ARM、LCD显示电路和USB接口电路等外围电路，系统结构示意图如图3所示。

系统上电后，FPGA芯片对自身资源和A/D转换电路等进行设置，设置结束后，系统进入待机状态。检测到上位机软件下发的测量命令后，FPGA发出1MHz脉冲信号作为驱动信号，驱动换能器产生超声波，同时一同频时钟计数器开始计数。回波信号经过放大滤波整形后分成两路信号，其中一路作为计数中断信号进入FPGA，计数器停止计数，并锁存计数信息。计数器锁存数据即为超声波信号到达接收端经过的整数倍周期数。另一路信号与原始信号进行相位比较。将此相位差信息换算为时间后与第1步测定的整数倍周期时间相加，即可得准确的超声波传播时间。利用预先建立数学模型对传播时间数据进行处理，即可得到液体的准确密度值，同时送到LCD显示。

3.1 硬件设计

相位比较模块和A/D采集模块电路的合理搭建是精确测量超声波在液体中传播时间的关键。

3.1.1 相位比较模块电路设计

如图4所示，系统采用74HC4046相位监督输出芯片搭建相位比较模块电路。相位比较模块是用来测定超声波传播时间去掉整数倍周期后不足一个周期部分的时间。为了区分临界状态的情况，在相位比较模块电路的输入端加入一个延迟器，若电路判断该信号处于临界状态，将该信号通过延迟器后再进行相位比较，比较完毕后再将延迟部分相减来恢复信号[9]。相位比较电路输出结果为0～10V的电压信号，输出结果为0V表示两信号相位差为0°，输出结果为10V表示两信号相位相差为360°。

3.1.2 A/D转换模块电路设计

图3 系统结构示意图

图4 相位比较模块电路设计

为便于FPGA读取经过滤波电路滤除噪声后的模拟相位差信号，需要对其进行模数转换[10]。A/D转换电路分辨率的高低直接影响超声波传播时间的测量分辨率。如图5所示，系统采用16位高速逐次逼近型高分辨率AD芯片组成A/D转换电路（此处只需一个通道即可满足需求）[11]。A/D转换电路把标示相位差信息的0～10 V电压信号转换为0000H～FFFFH的数字量传送给FPGA。由于0～10V电压信号对应0°～360°相位差，因此经过A/D转换相当于将相位的0°～360°平均分为65 536份，相位差分辨率约为0.0055°，实现了传播时间的精密测量[12]。

3.2 软件设计

在高精度超声波密度测量仪系统中，FPGA控制整个系统的逻辑时序，控制各个模块执行相应的功能。FPGA通过内部定时器和计数器控制测量的进行，定时器控制每次测量的时间间隔，计数器记录超声波整数倍传播周期的倍数。

系统上电后，ARM接收上位机命令并下发至FPGA，FPGA完成对自身定时器、16位计数器、40分频、2分频40 MHz高速时钟等内部资配置，并完成Flash高速存储模块、D/A转换模块、A/D转换模块的配置。FPGA配置A/D转换电路的过程如下：将REF SELECT拉高，使A/D电路工作时选用内部准电压；PAR/SER/BYTE_SEL拉低，采用并行模式；RANGE引脚拉高，使A/D电路的输入范围设置为10 V；OS总线设置为001，采用AD芯片内部自带数字滤波器，改善信噪比（SNR），提高测量精度。FPGA配置完毕，进入等待状态。

图5 A/D采集模块电路设计

当系统检测到开始测量命令时，FPGA发出1 MHz的脉冲信号，驱动换能器发出超声波，同时FPGA内部计数器以同频时钟计数，信号经过液体传播到接收换能器。经过接收电路处理后，分一路信号进入FPGA申请一个计数中断，计数器停止计数，锁存计数数据。另一路信号进入相位比较电路，与原信号进行相位比较，FPGA控制A/D电路以20 MHz采样率采集相位差信息并读取，FPGA内部ALU单元计算总的传播时间，传播时间测量流程如图6所示。

图6 传播时间测量流程图

4 系统调试

为验证系统的稳定性和精度，设计了系统调试环境。配制10种不同浓度的硫酸溶液，分别盛放在10个直径相同的烧杯中，烧杯放置于20℃恒温环境。系统测量结果与标准密度的对比结果数据如表1所示。

表1 标准密度与系统测量密度比较表

由表中数据分析可得，系统密度测量分辨率达0.0001g/cm3，绝对误差最大为 0.000 4 g/cm3，相对误差小于0.04%。从图7可以看出标准密度曲线与系统测量密度曲线几乎重合，误差可以忽略不计，满足工业生产对液体原材料密度精确测量的要求。误差主要由电路板发热，人工操作，环境因素等对传播时间测量带来的微小误差而造成。

5 结束语

本文设计了一种基于FPGA的高精度液体密度测量仪。系统基于声速法的超声波密度检测技术，采用计数法和相位法分步精确测量超声波传播时间，并把超声波传输时间数据上传给上位机。上位机根据上传数据和已经建立的数学模型实时计算出液体密度值，下发给ARM，通过LCD适时显示。通过分析实验数据，可以得出系统的测量分辨率达0.0001g/cm3，相对误差小于0.04%，满足工业生产需求标准，具有很高实用价值，广阔的应用前景。

图7 测量密度与标准密度比较图

[1]张兴红，张慧，陈锡侯.分布式超声波浆液密度精密测量仪设计[J].仪表技术与传感器，2015，11（6）：21-25.

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