TDC7200高精度超聲波流量計(jì)
摘要:超聲波流量計(jì)有非接觸、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在國民生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于TDC7200的時(shí)差法超聲波流量計(jì)。系統(tǒng)選用高精度的時(shí)間測量芯片TDC7200為核心，以STM32FB407為控制芯片，用模擬前端TDC1000芯片替代了以往超聲波流量計(jì)的模擬電路，將對流量的測量轉(zhuǎn)換為對時(shí)間的測量，實(shí)現(xiàn)時(shí)間測量精度可達(dá)ps量級(jí)。分析了時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測量原理，介紹了TDC7200芯片的詳細(xì)信息，闡述了超聲波流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，完成了流量計(jì)的初步測試工作。設(shè)計(jì)的流量計(jì)在實(shí)測環(huán)境中體現(xiàn)出了較高的精度，靜態(tài)水流中順流和逆流時(shí)間差很平穩(wěn)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.179ns。
在許多生產(chǎn)和計(jì)量場景中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、準(zhǔn)確計(jì)量收費(fèi)等，都需要對流體流量進(jìn)行地測量，測量流體流量的儀器儀表被稱為流量儀或者流量計(jì)［1］。早在1931年，法國的Ｒutten就提出了根據(jù)超聲波信號(hào)傳播的時(shí)間差來完成對流體流量的測量［2］。
此后，超聲技術(shù)就逐漸被實(shí)際應(yīng)用于流量測量，利用超聲波在流體中的傳播特性，將對流量的測量轉(zhuǎn)換為對時(shí)間、頻率等參數(shù)的測量，結(jié)合其他物理參數(shù)再計(jì)算出流量，具有精度高、非接觸、不破壞流體等優(yōu)勢。根據(jù)測量原理的不同，又可以分為時(shí)差法、頻差法、多普勒法、相關(guān)法以及波束偏移法等［3］。因?yàn)槌杀竞褪褂帽憷缘仍?，其中時(shí)差法和多普勒法應(yīng)用較為廣泛，但是多普勒法的測量精度不高，實(shí)際應(yīng)用中時(shí)差法使用得***多。
本文所設(shè)計(jì)的流量計(jì)采用了時(shí)差法，利用超聲波在順流和逆流的傳播時(shí)間會(huì)受到流體速度的影響，通過兩者的時(shí)間差值計(jì)算出流體的速度，而時(shí)間差的精度幾乎決定了整個(gè)測量結(jié)果的精度。如今，集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了高度集成的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(timetodigitalconverter，
1、時(shí)差法測量原理：
時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測量原理［4-5］，超聲波在動(dòng)態(tài)的流體中，超聲波在順流和逆流方向傳播的距離相同，順流時(shí)與流體運(yùn)動(dòng)分量正向疊加從而傳播速度增加，傳播時(shí)間減小，而逆流時(shí)與流體運(yùn)動(dòng)分量反向疊加從而傳播速度減小，傳播時(shí)間增加。因此順逆流方向聲波傳播時(shí)間與逆流方向超聲波傳播時(shí)間會(huì)有差值?；跁r(shí)差法的超聲波流量計(jì)的核心原理，根據(jù)流體介質(zhì)的流速與上述時(shí)間差為線性關(guān)系，只要準(zhǔn)確測量出時(shí)間差，就可以間接得到瞬時(shí)流速，從而可以求出流體的瞬時(shí)流量［6］。超聲波時(shí)差法測量原理如圖1所示。
圖1超聲波時(shí)差法測量原理
圖1中t1為上游換能器發(fā)射、下游換能器接收時(shí)，超聲波在管道中的傳播時(shí)間，即順流時(shí)間;t2為下游換能器發(fā)射、上游換能器接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即逆流時(shí)間［7］。取流體的流速為V，超聲波在流體中的傳播速度為C，管道直徑為D，兩個(gè)超聲波換能器的安裝角度為θ。上下游超聲換能器交替發(fā)射和接收超聲波，設(shè)順逆流傳播的時(shí)間差為ΔT［8］，順流時(shí)間為:
由式(4)可知流體的速度V與順逆流的時(shí)間差ΔT成正比關(guān)系，要提高流量計(jì)的測量精度，則需提高對超聲波傳播時(shí)間的測量精度［10］。管道截面積和安裝角度等參數(shù)確定后，根據(jù)上下游超聲波傳播的時(shí)間差就能實(shí)時(shí)測量出瞬時(shí)流量。
2、TDC7200芯片介紹：
超聲波傳播時(shí)間的測量精度是流量計(jì)的設(shè)計(jì)的核心問題。TDC7200是德州儀器TI公司于2015年推出的、面向水、燃?xì)狻崃坑?jì)量應(yīng)用的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率達(dá)到了55ps，標(biāo)準(zhǔn)偏差為35ps，并且***多可支持5個(gè)STOP信號(hào)，使用戶可以靈活選擇***佳的STOP信號(hào)。芯片內(nèi)置自校準(zhǔn)時(shí)基，可對時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，這一自校準(zhǔn)功能使得時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠獲得ps級(jí)精度。接口方面，TDC7200支持SPI串行總線通訊，可以非常方便地由MCU完成指令配置、數(shù)據(jù)讀取等操作。
圖2TDC7200的功能模塊
圖3TDC7200模式2的工作時(shí)序
3、超聲波流量計(jì)：
設(shè)計(jì)流量計(jì)使用上述的TDC7200用于超聲波傳播的高精度時(shí)間測量，使用低功耗32位AＲM芯片STM32FB407作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制芯片，主要完成指令配置、數(shù)據(jù)計(jì)算以及上位機(jī)通信［11-12］。同時(shí)，使用同是TI公司生產(chǎn)的TDC1000芯片作為模擬前端，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波以及處理接收到的回波。系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。
圖4流量計(jì)系統(tǒng)框圖
根據(jù)超聲波在流體中的傳播速度和需要傳播的距離可估算出需要的測量時(shí)間在us量級(jí)，因此設(shè)定TDC7200的工作模式為模式2，測量范圍為250ns～8ms。在模式2中，TDC7200需要同時(shí)使用內(nèi)部振蕩器和外部時(shí)鐘，外部時(shí)鐘使用了一塊頻率為8MHz的有源晶振，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。TDC7200通過SPI總線和主控芯片STM32FB407相連，接收指令并傳輸測量結(jié)果。TDC7200收到測量指令后TＲIGG管腳發(fā)出測量觸發(fā)信號(hào)給TDC1000，STAＲT管腳立刻準(zhǔn)備接收STAＲT信號(hào)并在收到STAＲT信號(hào)后啟動(dòng)計(jì)時(shí)，而當(dāng)STOP管腳接收到符合設(shè)定要求的STOP信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，隨后INTB管腳向主控芯片STM32FB407發(fā)出中斷信號(hào)表示測量完成。時(shí)間測量芯片TDC7200的核心電路如圖5所示。
為了能夠更好地驅(qū)動(dòng)超聲波換能器并準(zhǔn)確處理接收到的超聲波，設(shè)計(jì)中使用TDC1000替代了通常使用的超聲波模擬驅(qū)動(dòng)電路。TDC1000是TI公司生產(chǎn)的一款適用于超聲波測量應(yīng)用的模擬前端，測量寬度可達(dá)8ms，包含了兩個(gè)可以自動(dòng)切換的超聲波測量通道，可以滿足本設(shè)計(jì)中需要分別測量順流時(shí)間和逆流時(shí)間的要求。同時(shí)，TDC1000可以驅(qū)動(dòng)工作頻率范圍在31.25kHz～4MHz的超聲波換能器，并且內(nèi)部集成了低噪聲、可編程的增益放大器，也可以設(shè)定接收波形的閾值比較器的門限，針對較
圖5TDC7200核心電路
圖6TDC1000電路
3.3、軟件設(shè)計(jì)：
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用了意法半導(dǎo)體公司的STM32cubeMX軟件工具，可以快速配置系統(tǒng)時(shí)鐘和管腳功能，并且自動(dòng)配置好FreeＲTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高開發(fā)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后用用C語言在Keil5中編寫代碼。
圖 7 系統(tǒng)流程
4、系統(tǒng)測試：
系統(tǒng)測試中中選用了杭州安布雷拉公司生產(chǎn)的 DYW-1 M-01E 型超聲波換能器，是一款工作頻率為 1 MHz 的超聲波換能器，能夠發(fā)送并接收超聲波［15］。將上下游兩個(gè)超聲波換能器放置在常溫靜態(tài)水流中測試靜態(tài)數(shù)據(jù)，分別連接到流量計(jì)電路的兩個(gè)通道中，換能器驅(qū)動(dòng)端升壓至 30 V驅(qū)動(dòng)，安裝位置與水流的角度為 45°，測試管徑為 4. 8 cm。設(shè)定 TDC1000 每次發(fā)送 3 個(gè)波形，使用程序控制切換通道，發(fā)送端和接收端的波形如圖 8 所示。
圖 8 超聲波收發(fā)波形圖 9 測量時(shí)間曲線圖
可以看到順流和逆流的傳播時(shí)間曲線的走勢基本一致，播時(shí)間值的均值分別為 4 682. 2 和 4 682. 1 ns，并且標(biāo)準(zhǔn)差都小于 0. 53 ns，順流和逆流的傳播時(shí)間波動(dòng)由環(huán)境震動(dòng)等干擾因素引起; 順流和逆流的傳播時(shí)間差值曲線整體很平穩(wěn)，均值為 1. 086 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為 0. 179 ns，均值 1. 086 ns的平均時(shí)間差換算為超聲波傳播距離約 1. 57 μm，可能由換能器的安裝位置角度、制造工藝等因素引起。
5、結(jié)論：
本文分析了時(shí)差法流量測量理論方法，以由 TDC7200時(shí)間測量模塊為核心，采用可編程設(shè)定的 TDC1000 替代了以往超聲波流量計(jì)的模擬電路，設(shè)計(jì)了一種時(shí)間測量 ps 級(jí)分辨率的高精度超聲波流量計(jì)，可以滿足非接觸、非破壞要求的測量場景。同時(shí)，高精度、穩(wěn)定的時(shí)間測量還可以運(yùn)用在液位檢測、密度檢測、溫度檢測等領(lǐng)域，具體一定的普適性。從***終的實(shí)測數(shù)據(jù)和曲線中可以看到，流量計(jì)中的時(shí)間測量精度很高，穩(wěn)定性也很好，在高精度的時(shí)間測量基礎(chǔ)上，結(jié)合液體橫截面和安裝角度等參數(shù)，加上數(shù)字濾波等操作可以完成高精度的流量測量，對流量計(jì)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有參考和指導(dǎo)意義。