應用TDC-GP2設計的超聲波氣體流量計

    超聲波氣體流量計是近年來(lái)迅速發(fā)展的、正逐步應用于天然氣工業(yè)等領(lǐng)域的新型流量計。超聲波測量技術(shù)提供了一種無(wú)阻礙式的方法，這是一種沒(méi)有活動(dòng)部件，低壓降和低能量消耗以及高精度的測量流量的方法。與傳統的機械式流量計相比克服了易損壞、精度低等缺點(diǎn)，因此超聲波流量計將是今后流量計發(fā)展的趨勢。超聲波氣體流量計的優(yōu)點(diǎn)：（1）不僅能對小管徑而且能對大管徑氣體流量進(jìn)行測量，并且無(wú)流阻、無(wú)壓力損失；（2）能對各種不同的氣體進(jìn)行測量，測量結果不受氣體成分改變的影響；（3）不僅能對穩定氣流進(jìn)行測量而且還能對脈動(dòng)氣流進(jìn)行測量；（4）操作簡(jiǎn)便，實(shí)現了計算機自動(dòng)控制而不需要操作；（5）還可提供氣體分子量（或濃度）的信息。因此，超聲波氣體流量計在大氣體流的計測及工業(yè)應用中是很有發(fā)展前途的。

    1 系統設計

    由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測量比液體復雜，儀表的輸出信號除了與輸入信號有關(guān)，還與氣體密度有關(guān)，同時(shí)封閉管道中氣體體積流量的測量有多種方法，因時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準確度較高，迄今為止被國內外的廠(chǎng)家廣泛采用，所以本文采用時(shí)差法原理測量封閉管道內的氣體體積流量。時(shí)差法就是根據時(shí)間的變化計算出管道中氣體的體積流量。由于聲波在流體中傳播時(shí)，順流方向傳播速度增大，逆流方向則減少，因此傳播速度的變化引起超聲波傳播時(shí)間的變化。

    1.1 系統綜述

    本系統主要通過(guò)時(shí)差法來(lái)測量氣體流量，因此時(shí)間的精確性起到了很大的作用。而TDC-GP2具有高精度時(shí)間測量、高速脈沖發(fā)生器、接收信號使能和時(shí)鐘控制等功能，具有這些特殊功能的模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量的應用。TDC-GP2芯片利用現代化的純數字化CMOS技術(shù)，將時(shí)間間隔的測量量化到65ps的精度，給超聲波流量計的時(shí)差測量提供了完美的解決方案。

    1.2 TDC-GP2結構及特點(diǎn)

    TDC-GP2內部集成了非常多的適用于超聲波流量測量的功能。TDC-GP2的單次時(shí)間間隔測量的典型精度為65ps，即內部通過(guò)1個(gè)邏輯門(mén)的時(shí)間被確定在大約65ps。假設被測管徑為100mm，流量為70l/min。其他參數：流體的流動(dòng)速度v為0.1485m/s；超聲波行走的路徑長(cháng)度L為0.1414m；聲音在介質(zhì)中的傳播速度C0為1500m/s；順流時(shí)間和逆流時(shí)間的時(shí)間差Δt≈13.2ns。

    以GP2的65ps精度測量所獲得的測量精度將可以?xún)?yōu)于0.5%。TDC-GP2有非常好的數據統計特性，它的內部集成了1個(gè)噪聲單元，這個(gè)噪聲單元的主要目的就是為了在多次采樣取平均值時(shí)可以最大限度地消除噪聲。但采用普通平均的方法是不能消除量化誤差的，因為最小的量化階已經(jīng)固定，平均只能最高達到最小量化階越的精度。通過(guò)引入這個(gè)噪聲單元，使平均后的精度能夠（甚至）低于量化階越的精度成為可能[1]。

    1.3 流速的測量算法

    時(shí)差法對超聲波氣體流量計的基本測量原理：

    在儀表的測量管段上，斜裝有1對超聲換能器1和換能器2，它們交替發(fā)射和接收超聲波脈沖，如圖1所示[2]。圖1中：C為氣體介質(zhì)的聲速；V為管道中氣體介質(zhì)的流速；L為聲程長(cháng)度；θ為換能器與管道軸線(xiàn)夾角；D為管道直徑。

圖1 超聲波時(shí)差法原理示意圖

    在聲程L上，超聲波的傳播速度為聲速和流速分量的疊加。順流、逆流方向上的傳播時(shí)間t₁、t₂分別為：

   

    分別測出順流、逆流方向上的傳播時(shí)間t₁、t₂后，可算出流速V：

       （3）

    因為測量得到的順、逆向上的傳播時(shí)間t₁、t₂包含了電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的固有電聲延時(shí)τ₁、τ₂，須扣除其影響，所以式（3）可以改寫(xiě)為：

       （4）

    由于管壁及流體內部存在摩擦粘滯作用，實(shí)際流體流速在管道載面上存在著(zhù)流速分布，對于在中心線(xiàn)上的單通道超聲波流量計，其測量的流速V實(shí)際上是管道截面內直徑上的線(xiàn)平均速度，而測量流量需要的是管道內截面的面平均流速Vm，它們之間并不相等。根據流體力學(xué)理論，當雷諾數大于4000時(shí)，流體呈紊流狀態(tài)，此時(shí)線(xiàn)平均流速與面平均流速之間存在一動(dòng)力學(xué)因子K（管道雷諾數Re的函數，工程上可在流量計校準時(shí)經(jīng)實(shí)測得到），即：

      （5）

    從而可得瞬時(shí)體積流量Q_瞬：

       （6）

    在連續測量中，只要逐次將測得的Q_瞬值對時(shí)間積分，就可得到任意時(shí)間段內的累積流量Q_累，體積流量經(jīng)壓力、溫度補償后，可得質(zhì)量流量Q_質(zhì)：

       （7）

式中，ρ0為標準狀態(tài)下氣體介質(zhì)密度；p0、p分別為標準和實(shí)際狀態(tài)下的壓力；T₀、T分別為標準和實(shí)際狀態(tài)下的溫度；Z為氣體壓縮系數。由式（4）、式（6）可以看出，聲時(shí)t₁、t₂的測量是流量測量的關(guān)鍵，在參數D、L、θ、τ₁、τ₂、K確定后，只要準確測出t₁、t₂，就能準確求得管道內的流速V及瞬時(shí)流量Q_瞬，進(jìn)而可求得累計流量Q_累、質(zhì)量流量Q_質(zhì)[2-4]。

    2 測量超聲波流量的典型原理

    圖2為一個(gè)典型的信號處理的概念原理圖。為了能夠盡可能地保持零點(diǎn)流量時(shí)的時(shí)間延遲統一性，系統的接收和發(fā)射電路部分應該盡量保持絕對一致的關(guān)系。在換能器附近放置1個(gè)選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇換能器以保持電路相同，將會(huì )對測量非常有幫助[5]。

圖2 測量超聲波流量的原理圖

    3 應用TDC-GP2的超聲波流量計的設計方案

    圖3為應用TDC-GP2設計的超聲波氣體流量計的簡(jiǎn)單原理圖。整個(gè)超聲波測量系統通過(guò)單片機控制以及一些簡(jiǎn)單電路，就可以實(shí)現對于流量的測量，其中核心的時(shí)差測量都是由TDC-GP2這個(gè)僅5mm見(jiàn)方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大優(yōu)勢外，TDC-GP2的高集成度使整個(gè)氣體流量計的電路設計簡(jiǎn)單緊密。

    采用TDC-GP2設計的超聲波氣體流量計系統在提高測量精度的同時(shí)大大降低了功耗，是超聲波流量計的最佳選擇。應用此芯片開(kāi)發(fā)的系統具有設計簡(jiǎn)單、測量精度高、成本低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。已有廠(chǎng)商使用此芯片成功地進(jìn)行了超聲波流量計的研發(fā)。實(shí)際應用結果表明，TDC-GP2為超聲波流量計及超聲波氣體流量計的性能提供了保障。

    參考文獻

    [1]德國acammesselectronic有限公司.TDC-cookbook.2003.
    [2]王彥芳，王小平，宋萬(wàn)民，等.時(shí)差法超聲波流量計的高精度測量技術(shù)[J].微計算機信息，2006，22（6-1）.
    [3]王立琦，王珍.高精度超聲波流量計的研制[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001（9）：47-49.
    [4]黃建軍，劉存.改進(jìn)超聲波流量計性能的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2001（8）：87-88.