稀土萃取车间的高精度超声波流量计

摘要：基于时差法原理和高精度的设计思想, 针对稀土萃取生产车间强酸强碱的特殊环境、多电机运转的特殊场合以及不能够改装原有管道的特殊条件等问题, 分析了时差法的测量原理, 研究了抗电磁干扰的设计方法, 提出了一种基于STM32单片机和TDC-GP22高精度时间测量芯片的超声波流量计系统设计, 在保证其精度的同时, 大大简化了硬件外围电路的设计, 有效地防止了电磁干扰的问题, 改善了稀土萃取车间管道流量的监测问题, 增加了企业效益。

 

我国稀土工业发展迅速, 但由于我国的稀土工业在对过程的自动监测方面起步较晚, 尚未全部实现各串级之间流量等数据的自动监测, 目前仍处于比较落后的状态。由于萃取槽流量测量具有复杂的环境条件和多样的应用场合, 因此要根据具体的测量对象、测量范围和应用场合, 综合考虑***合适的流量测量装置。超声波流量计作为非接触式流量计, 在进行流体流量测量时, 只需将超声波换能器安装在管道的外侧即可实现对流体流量的测量, 不需要修改原有管道, 可以在高温、高压等条件下实现对腐蚀性流体的流量测量, 而且在测量过程中不会对管道内流体的流动产生干扰, 因此得到广泛的应用[1,2]。随着集成电路的不断发展, 出现了各式各样的高速计时芯片, 德国ACAM公司生产的高精度计时芯片TDC-GP22, 具有时钟测量单元、温度测量单元、停止信号使能、高速脉冲发生器、模拟控制部分、可编程比较器和波检测等功能。这就使得超声波流量计在保证精度的同时也简化了硬件电路的设计。

时差法的工作原理就是通过测量超声波在流体中顺、逆流的时间差, 利用流体流速与传播时间之间的关系可求出流体的平均流速V, 进而求得流量Q[3~8]。其测量原理示意图如图1所示。

图1 时差法测量原理示意图   下载原图

 

根据图1, 换能器A和换能器B交替发射和接收超声波信号, 顺流时, 超声波在液体中的传播时间为:

逆流时, 超声波在液体中的传播时间为:

式中, 两换能器相对于流体流速方向的角度为α, 超声波在两换能器之间的传播距离为L, 流体流速为ν, 被测管道直径为D, 超声波在流体中的流速为流体流速ν和声速c在传输路径上的矢量和[5], τ0是超声波在非流体介质中顺流和逆流传播时所用的时间。

根据公式 (1) 和 (2) , 可求得流体流速ν和顺逆流时间差:

由于超声波在液体中的传播速度受温度等因素的影响, 所以在实际应用中尽量在计算公式中将声速这个变量排除。根据公式 (3) 可以看出, 不需要知道声速, 这样避免了其它因素对声速的影响, 从而消除了声速对精度的影响, 因通过公式 (3) 计算出的速度为流体的轴向平均流速ν, 而不是瞬时速度νA, 因此需要乘以一个流量修正系数K:

根据流体力学, 当雷诺数Re在某一范围内时, K为定值, 其大小在标定过程中确定。

再根据管道的尺寸参数来求出管道横截面积S, 进而求得流体的瞬时流量Q[9]:

为保证超声波在流体介质中的测量, 简化硬件外围电路的设计, 提高系统设计的集成度, 降低开发难度, 选择了德国ACAM公司生产的高精度计时芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片使用粗值计数器与高速计时相结合的方式进行高精度计时, 粗值计数器采用脉冲计数法通过记录基准时钟脉冲数从而计算出时间间隔;高速计时单元通过内部逻辑门的延迟来进行时间间隔的高精度测量, 测量精度主要取决于信号通过芯片内部逻辑门的传播时间。TDC-GP22芯片测量时间的原理图如图2所示。

该系统采用TDC-GP22芯片的测量方式2, 该方式下的测量范围为500 ns~4 ms, 计时单元由start信号触发, stop信号结束, 芯片测量的不是整个时间间隔, 而是测量从start信号和stop信号到相邻基准时钟上升沿之间的间隔时间和, 同时TDC-GP22芯片会记下两次精密测量之间基准时钟的脉冲个数n, 测量范围可达到26位[10]。

图2 TDC-GP22芯片测量时间的原理图   下载原图

 

TDC-GP22芯片的ALU计算时间间隔的计算公式为:

式中:Tref为基准时钟的周期;T为测量时间;cal2、cal1为校准时钟周期。

虽然TDC-GP22计时芯片的集成度很高, 但是TDC-GP22芯片内部缺少中央处理器CPU, 因此需要外部连接一个单片机对芯片内部的运算单元ALU、数字转换单元TDC等模块进行控制, 整个电路系统采用选用意法半导体 (ST) 公司生产的STM32F103RCT6作为主控芯片, STM32F103RCT6是基于Cortex-M3内核的32位嵌入式-微控制器, 具有256 k B的程序存储器, 48 k B的片上RAM, 主频为72 MHz, 具有丰富的片上外设, 而且芯片TDC-GP22内部还集成有4线的SPI接口, 可以直接与单片机连接进行数据通讯, 实现对超声波信号传播时间的测量和流量的计算。

TDC-GP22的外围电路图如图3所示, 整个外围系统中, 需要用到两个晶振来保证其正常工作, 一个是如图中的Y2 (4 MHz) 所示的高速校准时钟单元, 另一个是32.768 k Hz的基准时钟, 用于时钟校准和控制高速时钟的起振。

在工业现场的数据采集中, 由于现场情况十分复杂, 各个节点之间存在很高的共模电压, 容易造成SPI接口无法正常工作, 严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。因此, 在强干扰环境中, 或是高的性能要求下, 就必须对SPI总线各个通信节点实行电气隔离。传统的SPI总线隔离方法是光耦合器技术, 使用光束来隔离和保护检测电路以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口, 需要使用大量的电阻、三极管才能正常工作, 而ADI的ADu M数字隔离器中的ADu M1411是一种四通道数字隔离芯片, 一个芯片就可以完全替代使用光耦隔离的整个电路。而其仅需通用集成电路的两个旁路电容就可以正常工作了。

图3 TDC-GP22的外围电路图   下载原图

 

TDC-GP22芯片内的脉冲发生器能够产生的激励方波的幅值为3.3 V, 超声波换能器不能被充分地激发, 并且发射的超声波信号在飞行过程中, 由于管道以及液体流动等因素的影响, 信号会在介质中出现衰减现象, 使信号变得微弱, 并且会带有介质内部的噪声以及电子电路噪声等, 使得芯片内的检测单元无法准确获取超声波信号, 从而无法进行对超声波飞行时间的计算, 所以就需要更大能量的激励信号, 因此在芯片TDC-GP22的外围电路中设计了信号放大电路。

如图4所示为超声波信号放大电路。首先通过双路运算放大器LM358N电源电路将从24 V的电源得到正负10 V的电源。LM358N具有低功耗底、高增益、工作电压范围宽可以在低至3.0 V或高达32 V的电源电压下工作、静态电流小等特点, 适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式。然后, 通过MOSFET驱动器芯片TC4427和TC4426, 将TDC-GP22和所产生的频率为1 MHz电压为0~3.3 V的信号, 转换为频率为1 MHz电压为0~10 V的信号和频率为1 MHz电压为-10~0的信号。TC4427和TC4426具有输出电流高、输入电源电压工作范围宽、驱动能力强、响应时间快、抗干扰能力强等特点。TDC-GP22所产生的信号经过放大以后, ***终所施加到超声波换能器两端的信号为频率为1 MHz电压为0~20 V的激励信号, 如图5所示, 经测试此信号能够满足此系统中所使用的换能器对激励信号功率的要求。

经试验测试, 不同流速下流量计的误差统计见表1, 由表1可以看出, 当流体 (水) 的流速在300~3 000 L/h时, 超声波流量计的相对误差小, 达到了设计要求, 重复性误差相对较小, 且精度基本保证在±0.5%范围内。

图4 超声波信号放大电路

 

表1 不同流速下流量计的误差 

图5 超声波放大激励信号

试验通过研究改进时差法原理、发射信号放大电路及抗干扰等问题, 针对现有流量计电路复杂, 不适用于强酸强碱的特殊环境及多电机运转的特殊场合, 使用高精度数字计时芯片TDC-GP22进行计时, 有效地简化了超声波流量计外围电路的设计, 同时保证了器测量精度, 针对超声波信号衰减严重的问题, 设计了超声波信号放大电路, 针对电机启动干扰导致的过压问题, 设计了数字隔离电路, ***终提出了一种基于STM32单片机和TDC-GP22高精度时间测量芯片的流量计系统设计, 有效地防止了电磁干扰的问题, 改善了稀土萃取车间管道流量的监测问题, 增加了企业效益。