基于TDC－GP22的超聲波流量計設計

從20世紀10年代至今，由于IC技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波流量計也因其具有的非接觸測量、適用于大口徑圓形及矩形管道、內部無(wú)任何阻流器件等特點(diǎn)，成為當今發(fā)展最迅速的一類(lèi)流量計之一。對于以時(shí)差法來(lái)實(shí)現流量測量的超聲波流量計，其測量精度的關(guān)鍵在于準確的測量超聲波在液體中的順流和逆流的傳播時(shí)間。在當今計時(shí)芯片測量達到ps級別的基礎上，如果能夠消除溫度和管道對聲速和流體造成的非線(xiàn)性誤差，并且通過(guò)信號篩選準確判斷超聲波信號到達時(shí)刻，那么超聲波流量計的精度將得到進(jìn)一步的提升。因此本文在上述三個(gè)方面的改進(jìn)，提出了基于TDC－GP22的超聲波流量計的設計。

1 超聲波流量計流量測量方案

在管道上安裝超聲波換能器的方式主要有三種：夾裝型、插入型和管段型。對于管段型也有多種方式，常見(jiàn)的有Z式安裝管段和立柱式管段。其中Z式管段主要適用于50mm口徑以上的管道；立柱式管段主要適用于50mm口徑以下的管道。由于本次設計主要針對小口徑超聲波流量計，因此主要采用后一種立柱式管段，超聲波換能器安裝在管段同側，測量時(shí)交替發(fā)送超聲波信號，如圖1所示。

圖1 立柱式管道示意圖

圖1中，L為兩個(gè)換能器中心距的直線(xiàn)距離，D為管道內徑，那么超聲波傳播距離S＝L＋D。假設超聲波在管內流體中的聲速為c，管道內流體流速為v，τ為超聲波在傳播過(guò)程中各種誤差的總和，那么超聲波順流傳播時(shí)間t1為：

    （1）

同理，超聲波逆流傳播時(shí)間t₂為：

    （2）

由于溫度對超聲波在液體中的傳播速度有很大影響，所以應盡量在超聲波流量計算公式中將超聲波速度這個(gè)變量排除。

將式（1）變換得：

    （3）

將式（2）變換得：

    （4）

由（3）和（4）聯(lián)立可得：

    （5）

最終可得流體流速為：

    （6）

該公式保證了溫度的波動(dòng)不會(huì )造成測量精度的損失，也因此使流速v出現一定的非線(xiàn)性，但是這個(gè)非線(xiàn)性可在標定時(shí)由儀表系數修正。由式（6）可以看出，決定流速測量精度的關(guān)鍵是順逆流超聲波傳播時(shí)間是否精確。測量傳播時(shí)間有兩種方法：一種是脈沖計數法，利用鎖相環(huán)原理，通過(guò)外部電路實(shí)現；另外一種是高精度計時(shí)芯片的直接使用�？紤]到對高精度和低功耗的要求，決定采用直接利用高精度計時(shí)芯片的方案。

2 新一代高精度計時(shí)芯片TDC－GP22

TDC－GP22為T(mén)DC－GP21的下一代升級產(chǎn)品。其最主要的改進(jìn)在于新增了第一波檢測功能，這一改進(jìn)將使TDC－GP22更加適合于高動(dòng)態(tài)范圍的超聲波水表的應用。測量第一個(gè)回波脈沖的相對寬度將會(huì )給用戶(hù)一個(gè)對于接收信號強度的提示，通過(guò)這個(gè)提示信息可以用于系統的長(cháng)期覆蓋物的信號減弱判斷，以及用于氣泡檢測。

TDC－GP22具有兩種測量模式，其最重要的不同在于測量時(shí)間的范圍不同。對于超聲波流量計來(lái)說(shuō)，測量范圍2更適用于超聲波流量測量，主要技術(shù)參數為：測量范圍500ns到4ms；單通道典型分辨率為90ps，四精度模式最高分辨率可達22ps等。

根據之前公式可知，如使用立柱式管段，假設已知L＝80mm，D＝40mm，液體中靜態(tài)聲速c＝1500m/s，流體流速v＝0.2m/s時(shí)，可知順逆流傳播時(shí)間差△t≈18.67ns，根據TDC－GP22典型分辨率90ps計算，所得測量誤差小于0.5%。

3 超聲波流量計硬件設計

硬件設計以低功耗單片機STM8L152C6為核心，它是一款8位低功耗單片機，該單片機擁有豐富的接口，方便控制TDC－GP22以及與其他通訊模塊通信，而無(wú)需額外的硬件電路。這樣做不僅減小了硬件設計難度，同時(shí)也提高了整個(gè)系統的穩定性。

時(shí)間測量模塊采用德國ACAM公司的通用時(shí)間間隔測量芯TDC－GP22。超聲波換能器則采用了中心頻率為1MHz的換能器用作流速測量。硬件框圖如圖2所示。

圖2 超聲波流量計硬件框圖

STM8L單片機控制TDC－GP22片內的脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)過(guò)片內時(shí)間窗延遲后產(chǎn)生出啟動(dòng)信號，在回波信號處理電路中產(chǎn)生停止信號，最后通過(guò)TDC內部AUL計算出啟動(dòng)信號與停止信號之間的時(shí)間間隔，并最終確定管道中液體順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間，進(jìn)而計算出管道中流體的流量。

4 超聲波信號質(zhì)量判斷

在實(shí)際流量測量時(shí)，管道內通常含有擾流或氣泡等干擾，如果這些干擾被當作正常信號來(lái)處理，則會(huì )對測量產(chǎn)生巨大的誤差，因此為了消除這個(gè)誤差，應該在TDC測量時(shí)間間隔之前對采集到的超聲波信號的質(zhì)量作出判斷，并篩選出正常的信號。

利用TDC－GP22的第一波檢測功能，可以測量得到第一個(gè)波的脈沖寬度和標準脈沖寬度的比值，這個(gè)比值讓用戶(hù)監控測量信號的質(zhì)量，必要時(shí)可以根據這個(gè)脈沖寬度比率來(lái)調整所需測量的脈沖，第一波檢測功能是超聲波信號質(zhì)量判斷的基礎，其原理如圖3所示。

圖3 第一波模式

在第一波檢測模式時(shí)，半波周期的第一個(gè)真實(shí)時(shí)間（hwp）也進(jìn)行了測量和記錄，將會(huì )作為與第一波脈沖寬度比較的參考。在圖3中，第一波脈寬是第2個(gè)買(mǎi)沖的寬度，標準脈寬是第5個(gè)脈沖的寬度，而比率一般來(lái)說(shuō)是在0～1范圍之內的數據。這個(gè)比值的大小，直接反映了接收信號的強弱。通過(guò)對這些信息的分析可以用于監測流體的特性。

信號強度的下降可能是經(jīng)過(guò)很長(cháng)時(shí)間在管段或者換能器上有太多的沉淀物造成的，也可能是擾流或氣體氣泡引起的。因此在這個(gè)情況下可以發(fā)送一個(gè)報警信號給單片機和主控制端。一旦管段為空管的情況，那么將會(huì )保持在檢測第一個(gè)波所設置的值。這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是，噪聲不觸發(fā)TDC，則TDC由于超時(shí)將會(huì )給出一個(gè)溢出中斷。換句話(huà)說(shuō)：TDC測量溢出中斷是判斷空管段的一個(gè)非常重要的條件。

5 超聲波流量非線(xiàn)性處理

由超聲波測速法測得的為線(xiàn)速度，轉換為流量計算面速度后，這個(gè)面速度與實(shí)際面速度還不一樣，需要乘上一個(gè)系數K，由于不同流速階段對應的流體狀態(tài)不一樣，分為層流、過(guò)度狀態(tài)和湍流，不同狀態(tài)下的K系數也不一樣，相同狀態(tài)下的K系數也會(huì )不一樣，為簡(jiǎn)化計算，可看成是線(xiàn)性變化（即一次函數），所以需要對K系數進(jìn)行計算，3K法有3個(gè)K系數，分別對應小流量系數、中流量系數和大流量系數，如圖4所示，根據測得的流量值在不同的流量段，選擇對應的K值。

圖4 信號的非線(xiàn)性處理

6 標定結果與結論

由于改進(jìn)了超聲波流量測量原理，消除了溫度對于聲速的顯著(zhù)影響，降低了計算的復雜度和結果的不確定性。在實(shí)際測試中，不論是對管到家熱還是降溫，都不會(huì )影響最終的測量精度和重復性。對于TDC－GP22第一波檢測功能的充分利用，不僅使空管檢測更加方便可靠，更可以篩選出正真的測量信號，避免繞流和氣泡的干擾，使測量的精度大大提高。最后，經(jīng)過(guò)3K法標定后的流量計，不論在小流量、中流量還是大流量時(shí)，都擁有較好的精度和穩定性。表1所示最終該超聲波流量計經(jīng)測試流量誤差低于1.5%，并且各個(gè)流量測試點(diǎn)的重復性均低于0.6%。

表1 超聲波流量計流量標定數據