摘 要：液體密度是工業(yè)生產(chǎn)中一個重要的參數(shù)，尤其是在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。本文采用雙探頭結(jié)構(gòu)，利用聲速法測量液體密度，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確測量超聲波在液體中傳播時間。傳統(tǒng)電路設(shè)計由于受到芯片時鐘頻率的影響，測量效果往往不夠理想。為了能夠得到精確的測量時間，采用內(nèi)部時鐘頻率較高的FPGA來設(shè)計高精度的計數(shù)器。同時，為了減少外圍電路，避免電子器件之間的電磁干擾，系統(tǒng)中的控制和計算模塊也都由FPGA來完成。經(jīng)過實驗，結(jié)果表明本方法具有較高的可靠性和速度上的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：超聲波 液體密度 FPGA 聲速法

Abstract: Liquid density is one of the important parameters in many industrial fields, especially in pharmacy and biochemistry industry. In the design, the double-probe structure is adopted, and the operation principle of the ultrasonic density sensor is based on time law. So, the time measurement precision must be very high. In traditional circuit design, for the limited by the internal clock of the chip, the perfect result can’t be got. By using the FPGA to design the high precision counter, the accurate measurement time can be achieved. To reducing the peripheral circuit’s size and the electromagnetic interference between the electronic devices, the FPGA also be used to design the control and operation module. Through the experiment, the result indicated that this method has the advantages in speed and reliability.

Keyword: ultrasonic liquid density FPGA sound velocity method

0 引言

液體密度是許多工業(yè)中的重要參數(shù)，它可以直接參與生產(chǎn)過程中的控制和決策，因此對液體密度進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的在線檢測有著重要的意義。尤其是在石油、化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，對密度的測量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟和消費者的人身安全。

1 超聲波液體密度計的工作原理

用超聲波來測量液體的密度有多種方法，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，借助于聲速測量密度的方法得到了廣泛的應(yīng)用。這是因為超聲波在液體中傳播時，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關(guān)系式：

（1-1）

式中C是超聲波在液體中傳播的速度;ρ為液體的密度;K為壓縮系數(shù)。對于特定的液體，其壓縮系數(shù)K是常數(shù)，只要測得超聲波在液體中的傳播速度，就可以計算出液體的密度。而速度的測量則可由超聲波在液體中所經(jīng)過的聲程以及傳播時間所決定。

2. 基于FPGA的控制和運算電路的設(shè)計

由于FPGA芯片的頻率很高，容易設(shè)計實現(xiàn)幾十兆甚至上百兆的時鐘電路，因此很適合于用來設(shè)計高速計時電路。本設(shè)計中選用Altera公司的CycloneⅡ系列芯片，該系列芯片的工作頻率可高達(dá)400MHz，足以滿足本設(shè)計的需要。軟件開發(fā)平臺為QuartusⅡ。

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