超聲波管道流量計(jì)的研發(fā)重點(diǎn)是對(duì)超聲波在管道液體中順流和逆流時(shí)差的測(cè)量，并通過(guò)信號(hào)處理等辦法，將時(shí)間信息換算為速度信息，再轉(zhuǎn)換為管道流體所對(duì)應(yīng)的流量信息。采用高精度時(shí)差芯片TDC-GP2 實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波管道流量計(jì)中的聲波時(shí)間差的測(cè)量。論述了時(shí)差法超聲波管道流量計(jì)的基本原理，介紹了 TDC-GP2 時(shí)間測(cè)量芯片的功能原理和使用方法，簡(jiǎn)述了相關(guān)硬件電路和系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)合以上原理方法，論證了超聲波流量計(jì)可行的技術(shù)方案; 通過(guò)對(duì)時(shí)差法測(cè)量原理的研究，設(shè)計(jì)了相關(guān)時(shí)差測(cè)量電路，以及顯示電路、信號(hào)處理電路等電路，并完成了設(shè)備的調(diào)試和組裝。超聲波流量計(jì)可以有效解決非介入式的管道液體、氣體等流量的實(shí)時(shí)測(cè)量。

0.引言

流量測(cè)量在現(xiàn)代化工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。在水利、化工、煤炭、石油輸送、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中 流量測(cè)量?jī)x表有著廣泛的應(yīng)用。管道流量計(jì)的應(yīng)用是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)約資源、提高生產(chǎn)效率和管理水平的重要工具，在各個(gè)領(lǐng)域中流量計(jì)的需求都在不斷增加。

1931 年，法國(guó)的 O． Ｒutten 提出了利用超聲波信號(hào)傳播時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量測(cè)量的可能性 。

超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)，其工作原理為超聲波在流動(dòng)的介質(zhì)中傳播時(shí)記錄上了流體的流速信息，因此通過(guò)接收到的超聲波就可檢測(cè)出流體的流速，進(jìn)而換算成較準(zhǔn)確測(cè)量超聲波動(dòng)信號(hào)在流體中傳播的時(shí)間差是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵，時(shí)差法是測(cè)量管道流量中超聲波流量傳播速度差法的一種 不僅測(cè)量方式簡(jiǎn)單而且計(jì)量精度高。高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2 可以有效提高超聲波流量計(jì)液體傳播時(shí)間差的采集精度。

1.基本原理

1 .1TDC-GP2

TDC-GP2 是德國(guó) TDC 系列的新一代時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。TDC 即時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，利用信號(hào)通過(guò)邏輯門的時(shí)間延遲來(lái)量化時(shí)間間隔，具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制等功能，能夠高精度地對(duì)時(shí)間進(jìn)行采集，其將時(shí)間間隔的測(cè)量提高到了 65 ps; 外接 2 個(gè)晶振，4 MHz 用于時(shí)鐘校準(zhǔn)和時(shí)間測(cè)量，32 kHz 用于內(nèi)部定時(shí)有了這些特殊功能，超聲波流量計(jì)中的時(shí)差測(cè)量就可以很好地實(shí)現(xiàn)，TDC-GP2 在超聲波流量測(cè)量和熱量測(cè)量方面得到了比較廣泛的應(yīng)用。

TDC-GP2 的測(cè)量范圍有 2 種，其中一個(gè)為雙通道，測(cè)量范圍 0 ～ 1. 8 μs，分辨率能夠達(dá)到 50 psrms，每個(gè)通道可進(jìn)行 4 次采樣，可測(cè)量 4 次采樣中任意2 個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔，stop 信號(hào)使能功能可測(cè)量任意 2 個(gè)信號(hào)之間的時(shí)差 間隔脈沖對(duì)分辨能力為 15 ns。另一種模式為單通道，它的測(cè)量范圍是500 ns ～ 4 ms，分辨率可達(dá) 50 psrms，可以在 2 個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行 3 次采樣。在這 2 種狀態(tài)下，輸入信號(hào)的上升 / 下降沿可同時(shí)觸發(fā)也可單獨(dú)觸發(fā)。

芯片可以接 2 個(gè)或者 4 個(gè)溫度傳感器，其有效的分辨率可以達(dá)到 16 位，在每 30 s 測(cè)量一次時(shí)，電流的消耗 0. 08 μA。

TDC 是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的 TDC 測(cè)量時(shí)間的操作原理如圖 1 所示。在測(cè)量過(guò)程中，信號(hào)之間的時(shí)間間隔是由芯片通過(guò)記下信號(hào)通過(guò)門電路時(shí)的個(gè)數(shù)而計(jì)算的，stop 停止信號(hào)和 start 觸發(fā)信號(hào)之間時(shí)間間隔通過(guò)粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和環(huán)形振蕩器的位置計(jì)算 。

1. 2 時(shí)差法

根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時(shí)間差與被測(cè)流體的流速之間關(guān)系來(lái)求得流速的方法被稱為時(shí)差法，其本質(zhì)就是超聲波的傳播速度會(huì)受到流體流動(dòng)的影響，故又叫傳播速度差法。時(shí)差法超聲流量計(jì)工作原理如圖 2 所示，S1 、S2 分別為 2 個(gè)換能器，將 2 個(gè)換能器以 Z 字方式外貼在管壁的兩側(cè)，它們的夾角為 θ，管道的直徑為 D，水流速為 V，聲波由 S1 傳往 S2 稱之為順流，反之稱為逆流，其傳播時(shí)間分別定義為 t1 、t2 。順流時(shí)信號(hào)傳播速度增加，逆流時(shí)信號(hào)傳播速度相應(yīng)減小; 而順流時(shí)傳播時(shí)間縮短，逆流時(shí)傳播時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，可以計(jì)算出聲波信號(hào)在順流和逆流方向傳播的時(shí)間的差值( 即時(shí)差) 。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波流量計(jì)硬件電路主要分為 6 個(gè)部分: 核心控制、超聲波收發(fā)、信號(hào)處理與控制、時(shí)差測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示與通信部分。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

( 1) 核心控制部分。主要完成了超聲波信號(hào)的發(fā)出與接收的控制、采集數(shù)據(jù)的濾波處理以及數(shù)據(jù)的傳輸。

超聲波發(fā)射部分。超聲波發(fā)射部分是為了給超聲波傳感器提供能量，使其中的壓電晶體產(chǎn)生共振、發(fā)射超聲波的電路。超聲波傳感器接收到的超聲波信號(hào)非常小，只有幾毫伏。因此，超聲波接收電路要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和放大，只有當(dāng)該信號(hào)達(dá)到一定的幅度時(shí)，才能檢測(cè)到。

( 3) 信號(hào)調(diào)理部分。主要完成時(shí)鐘電路的分頻處理、脈沖電路的提取和增益的控制等功能，起到核心控制電路與超聲波收發(fā)電路連接橋梁的作用( 4) 數(shù)據(jù)顯示與通信電路。實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)各種信號(hào)輸出電路主要完成流量計(jì)信號(hào)的輸出，包括4 ～ 20 mA 和 ＲS485 兩種輸出模式。并且該設(shè)備可以在煤礦中使用，其輸出接口需要設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型，因此接口電路需要進(jìn)行隔離處理。( 5) 時(shí)差測(cè)量部分。超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，超聲波在流體中順流和逆流的傳播時(shí)差十分微小，流量計(jì)的精度直接受測(cè)量時(shí)間的精度影響，所以測(cè)量時(shí)間精度的保障非常重要，時(shí)間間隔測(cè)量在整個(gè)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)中占有非常重要的地位。TDC-GP2 的測(cè)量外圍電路如圖4所示。在時(shí)差法測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器僅由 2 個(gè)換能器組成這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電路部分會(huì)的十分簡(jiǎn)單、可靠穩(wěn)定。同時(shí)，在時(shí)差法測(cè)量系統(tǒng)中還需要注意影響測(cè)量精度的因素，并采取相應(yīng)的措施，使芯片在使用中達(dá)到更好的效果。

3 .電路的應(yīng)用

超聲波流量計(jì)采用了外貼式超聲波換能器，這樣在施工過(guò)程中就不需要在管道上打孔安裝或是制作專門的測(cè)量管段，可直接通過(guò)卡具直接安裝在管道外部，并且對(duì)管道壓力無(wú)任何要求，具有安裝方便、不需要改變管道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)和使用中，對(duì)于時(shí)間的測(cè)量是保證其精度的關(guān)鍵。眾所周知，無(wú)論采取什么樣的措施，測(cè)量精度永遠(yuǎn)不會(huì)高于所采用的測(cè)量尺子的精度，而 TDC-GP2 無(wú)疑是一把精度更高的尺子，利用它可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提高測(cè)量精度。它提供了與微處理器的多種接口方式，尤其是 SPI 接口方式十分適合與單片機(jī)進(jìn)行接口連接，占用口線少且實(shí)現(xiàn)方便。

4.結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)采用了超精度時(shí)差芯片 TDC-GP2 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波管道流量計(jì)中的對(duì)聲波時(shí)間差的測(cè)量，該芯片具有功能可靠、準(zhǔn)確度高、低功耗等特點(diǎn)，保證了流量計(jì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中對(duì)聲波傳播時(shí)差測(cè)量的

精度和可靠性。超聲波流量計(jì)可以有效解決非介入式的管道液體、氣體等流量的實(shí)時(shí)測(cè)量，可廣泛適用于煤礦、石油、水電水利等工業(yè)、民用環(huán)境中，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。