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)差的測量，并通過信號(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)間測量芯片的功能原理和使用方法，簡述了相關(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; 通過對(duì)時(shí)差法測量原理的研究，設(shè)計(jì)了相關(guān)時(shí)差測量電路，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)測量。

0.引言

流量測量在現(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 流量測量儀表有著廣泛的應(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，因此通過接收到的超聲波就可檢測出流體的流速，進(jìn)而換算成較準(zhǔn)確測量超聲波動(dòng)信號(hào)在流體中傳播的時(shí)間差是提高測量精度的關(guān)鍵，時(shí)差法是測量管道流量中超聲波流量傳播速度差法的一種 不僅測量方式簡單而且計(jì)量精度高。高精度時(shí)間測量芯片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 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)通過邏輯門的時(shí)間延遲來量化時(shí)間間隔，具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測量和時(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)差測量就可以很好地實(shí)現(xiàn)，TDC-GP2 在超聲波流量測量和熱量測量方面得到了比較廣泛的應(yīng)用。

TDC-GP2 的測量范圍有 2 種，其中一個(gè)為雙通道，測量范圍 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 測量一次時(shí)，電流的消耗 0. 08 μA。

TDC 是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測量的 TDC 測量時(shí)間的操作原理如圖 1 所示。在測量過程中，信號(hào)之間的時(shí)間間隔是由芯片通過記下信號(hào)通過門電路時(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)間差與被測流體的流速之間關(guān)系來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，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)差測量部分。超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，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)的精度直接受測量時(shí)間的精度影響，所以測量時(shí)間精度的保障非常重要，時(shí)間間隔測量在整個(gè)超聲波流量計(jì)系統(tǒng)中占有非常重要的地位。TDC-GP2 的測量外圍電路如圖4所示。在時(shí)差法測量系統(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)的十分簡單、可靠穩(wěn)定。同時(shí)，在時(shí)差法測量系統(tǒng)中還需要注意影響測量精度的因素，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，這樣在施工過程中就不需要在管道上打孔安裝或是制作專門的測量管段，可直接通過卡具直接安裝在管道外部，并且對(duì)管道壓力無任何要求，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)間的測量是保證其精度的關(guān)鍵。眾所周知，無論采取什么樣的措施，測量精度永遠(yuǎn)不會(huì)高于所采用的測量尺子的精度，而 TDC-GP2 無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

本文設(shè)計(jì)采用了超精度時(shí)差芯片 TDC-GP2 來實(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，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。