0 前言

液体密度是很多工业生产中的主要主要参数，它能够参于生产过程中的调节和管理决策，因而对液体密度开展迅速而精确的在线监测拥有至关重要的实际意义。尤其是在原油、化工厂、食品类、药业等制造业行业，对密度的测量立即影响到社会经济和顾客的生命安全。

1 超音波液体密度计的原理

用超声来测定溶液的相对密度有很多种方式，伴随着电子信息技术的迅猛发展，凭借波速精确测量硬度的办法获得了普遍的运用。这是由于超音波在溶液中传递时，其波速与溶液的相对密度中间遵循下边的表达式：

（1-1）

式中C是超音波在溶液中传递的速率；ρ为液态的相对密度；K为可压缩性。针对指定的液态，其可压缩性K是参量，只需测得超音波在溶液中的快速传播，就可以测算出液态的相对密度。而速率的精确测量则可由超音波在溶液中所通过的声程及其散播時间所决策。

2. 根据FPGA的调节和计算电源电路的设计方案

因为FPGA集成ic的频次很高，非常容易制定完成几十兆乃至上百兆的数字时钟电源电路，因而很适用于用于设计方案快速记时电源电路。本设计方案中采用Altera企业的CycloneⅡ系列产品集成ic，该系列产品集成ic的输出功率可达到400MHz，足够达到本制定的必须 。开发软件服务平台为QuartusⅡ。电源电路（包含仿真模拟、数据一部分）的总体系统结构图如图所示1所显示。

图1 系统软件电路设计图

2.1方单脉冲转化成控制模块

方单脉冲转化成控制模块的效果是造成一定頻率的方单脉冲用于鼓励发送摄像头工作中。方单脉冲次数的选取范畴应该是摄像头压电式芯片震动頻率（本设计方案中为2MHz）的1/10，因而挑选200KHz，其造成是由根据FPGA的方单脉冲频率计来完成［1］。其外界脚位构造如图4所显示，图上键入讯号为clk（数字时钟） 和en（也就能端） ，輸出讯号为dout［7…0］。

2.2 快速电子计数器的设计方案

快速电子计数器的制定是完成精准测量時间的关键。本设计方案中，为了更好地得到精准的记数頻率，选用了QuartusⅡ中內嵌的锁相环，外界的参照数字时钟由16MHz的有源晶振给予，锁相环路所运用的内存超频为6倍，那样就能得到平稳的96MHz的內部数字时钟。总体的电路原理图构造如图2所显示。锁相环路（PLL3）的頻率輸出做为电子计数器的记数数字时钟，电子计数器（cnter）由四个十进制电子计数器构成，內部配有FIFO，关键用以记数結果的载入，当wrreq（写容许）数据信号为上拉电阻时，将记数結果载入FIFO，FIFO的钟表与电子计数器的时钟同步；当接受电源电路的数据信号历经光耦合器抵达rdreq（读容许）端时，该端脉冲信号变成上拉电阻，与此同时wrreq为低电频，这时记数完毕，与此同时将记数結果送至輸出端，輸出记数結果。

图2 快速计数器原理图

Fig.2 Principle picture of the high-speed counter

2.3 计算、赔偿控制模块

计算、赔偿控制模块分成测算和赔偿2个一部分。其功效是依据电子计数器的记数結果和赔偿电源电路对溫度调整后的结论测算液态的相对密度。本设计方案中发送和接受摄像头中间的间距为2cm；声波频率在两摄像头中间传送的時间可由电子计数器的记数結果（cntvalue）获得，由于企业记数的时间记数頻率的最后，因此有：

（2-1）

运算器构造如图所示3所显示。键入c1和c2是计标值，历经并行处理乘法器计算后的效果送进并行处理除法器；由于可压缩性K是参量，但每一种液态的K也不同样，因而全部密度仪必须有对溶液开展挑选的作用，图上的sel控制模块是完成这一作用的一部分，键入数据信号用于挑选被测液态，本设计方案中的密度仪可以精确测量300种液态，因而挑选数据信号为9位编号的二进制数，挑选控制模块的本质是一个储存了各种各样液态可压缩性的储存器，依据挑选数据信号找寻被测液体密度的指数，其效果也送进除法器。

图上的tem为温度补偿控制模块。溫度对波速的危害非常大，在溶液中，溫度每转变 1℃将造成波速约为2%的转变，而在具体自然环境中，一般会出现40℃左右的气温变动范畴，从而产生的声速8%之上的转变就有可能给具体精确测量引进8%之上的偏差。在运用超音波波速对液体密度开展检测时，为了更好地提升精密度，必然就需要对环境温度开展赔偿［2］。

2.4 操纵和计算电源电路

操纵和计算电源电路的总体构造如图4所显示。在其中pulse为方单脉冲造成控制模块；count为快速电子计数器；operate为计算和赔偿控制模块；adc为A/D变换模块。全部体系的运行流程为：pulse控制模块的串口端为上拉电阻时，控制模块开始工作，造成方单脉冲；由于电子计数器的串口端与pulse的串口端同用，因此电子计数器在造成方单脉冲的一起逐渐记数；pulse 的輸出pulse_out 历经加工处理后送进事后的数字集成电路；电子计数器（count）在读取到rdreq端上拉电阻时暂停记数，该数据信号来自于接受电源电路，这时记数結果送进计算赔偿控制模块（operate）开展事后计算，与此同时，电子计数器的clr端清零，等候下一次记数；adc控制模块操纵A/D转化器将温度补偿电源电路的数据信号转化成数据量而且送进到计算赔偿控制模块的赔偿一部分开展查询表计算。计算控制模块承担末尾的计算輸出。

图3 计算、赔偿控制模块构造

Fig.3 operation and compensaTIon module

图4 操纵、计算总体框架图

Fig.4 The construcTIon of control and operaTIon

3. 结果

试验在常温下（20℃）、自然压（1标准大气压强）下开展，被测液态为常见的水，其可压缩性K=5×10-5/大气压力。根据模拟仿真（图5）能够获得水密度为1Kg/m3。这与真实結果同样。因为键入数据信号多，这儿只挑选了一部分模拟仿真数据信号。根据对脉宽的剖析，能够获得全部电源电路总体上的延迟为230ns，由此可见，系统化响应时间很高。

图5 系统软件模拟結果

Fig.7 result for system simulaTIon

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