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基于时差法的超声波流量计的设计


文章日期:2017-06-17|阅读数:


超声波管道流量计的研发重点是对超声波在管道液体中顺流和逆流时差的测量,并通过信号处理等办法,将时间信息换算为速度信息,再转换为管道流体所对应的流量信息。采用高精度时差芯片TDC-GP2 实现对超声波管道流量计中的声波时间差的测量。论述了时差法超声波管道流量计的基本原理,介绍了 TDC-GP2 时间测量芯片的功能原理和使用方法,简述了相关硬件电路和系统构成。结合以上原理方法,论证了超声波流量计可行的技术方案; 通过对时差法测量原理的研究,设计了相关时差测量电路,以及显示电路、信号处理电路等电路,并完成了设备的调试和组装。超声波流量计可以有效解决非介入式的管道液体、气体等流量的实时测量。

0.引言

流量测量在现代化工业自动控制领域有着举足轻重的作用。在水利、化工、煤炭、石油输送、农业等领域中 流量测量仪表有着广泛的应用。管道流量计的应用是发展工农业生产、节约资源、提高生产效率和管理水平的重要工具,在各个领域中流量计的需求都在不断增加。

1931 年,法国的 O. Rutten 提出了利用超声波信号传播时间差实现对流体流量测量的可能性 。

超声波流量计是一种非接触式流量计,其工作原理为超声波在流动的介质中传播时记录上了流体的流速信息,因此通过接收到的超声波就可检测出流体的流速,进而换算成较准确测量超声波动信号在流体中传播的时间差是提高测量精度的关键,时差法是测量管道流量中超声波流量传播速度差法的一种 不仅测量方式简单而且计量精度高。高精度时间测量芯片TDC-GP2 可以有效提高超声波流量计液体传播时间差的采集精度。

 

1.基本原理

 

1 .1TDC-GP2

 

TDC-GP2 是德国 TDC 系列的新一代时间数字转化产品。TDC 即时间数字转换器,利用信号通过逻辑门的时间延迟来量化时间间隔,具有高速脉冲发生器、温度测量和时钟控制等功能,能够高精度地对时间进行采集,其将时间间隔的测量提高到了 65 ps; 外接 2 个晶振,4 MHz 用于时钟校准和时间测量,32 kHz 用于内部定时有了这些特殊功能,超声波流量计中的时差测量就可以很好地实现,TDC-GP2 在超声波流量测量和热量测量方面得到了比较广泛的应用。

TDC-GP2 的测量范围有 2 种,其中一个为双通道,测量范围 0 ~ 1. 8 μs,分辨率能够达到 50 psrms,每个通道可进行 4 次采样,可测量 4 次采样中任意2 个采样之间的时间间隔,stop 信号使能功能可测量任意 2 个信号之间的时差 间隔脉冲对分辨能力为 15 ns。另一种模式为单通道,它的测量范围是500 ns ~ 4 ms,分辨率可达 50 psrms,可以在 2 个校准时钟周期内进行 3 次采样。在这 2 种状态下,输入信号的上升 / 下降沿可同时触发也可单独触发。

 

芯片可以接 2 个或者 4 个温度传感器,其有效的分辨率可以达到 16 位,在每 30 s 测量一次时,电流的消耗 0. 08 μA。

 时间1.jpg

TDC 是以信号通过内部门电路的传输延时来进行高精度时间间隔测量的 TDC 测量时间的操作原理如图 1 所示。在测量过程中,信号之间的时间间隔是由芯片通过记下信号通过门电路时的个数而计算的,stop 停止信号和 start 触发信号之间时间间隔通过粗值计数器的计数值和环形振荡器的位置计算 。

1. 2 时差法

 

根据超声波在流体中顺流与逆流的传播时间差与被测流体的流速之间关系来求得流速的方法被称为时差法,其本质就是超声波的传播速度会受到流体流动的影响,故又叫传播速度差法。时差法超声流量计工作原理如图 2 所示,S1 、S2 分别为 2 个换能器,将 2 个换能器以 Z 字方式外贴在管壁的两侧,它们的夹角为 θ,管道的直径为 D,水流速为 V,声波由 S1 传往 S2 称之为顺流,反之称为逆流,其传播时间分别定义为 t1 、t2 。顺流时信号传播速度增加,逆流时信号传播速度相应减小; 而顺流时传播时间缩短,逆流时传播时间会相应延长,可以计算出声波信号在顺流和逆流方向传播的时间的差值( 即时差) 。

时间2.jpg

2.硬件电路设计

 

超声波流量计硬件电路主要分为 6 个部分: 核心控制、超声波收发、信号处理与控制、时差测量、数据显示与通信部分。硬件电路结构如图 3 所示。

时间3.jpg

( 1) 核心控制部分。主要完成了超声波信号的发出与接收的控制、采集数据的滤波处理以及数据的传输。

超声波发射部分。超声波发射部分是为了给超声波传感器提供能量,使其中的压电晶体产生共振、发射超声波的电路。超声波传感器接收到的超声波信号非常小,只有几毫伏。因此,超声波接收电路要对这样小的信号进行检测和放大,只有当该信号达到一定的幅度时,才能检测到。

( 3) 信号调理部分。主要完成时钟电路的分频处理、脉冲电路的提取和增益的控制等功能,起到核心控制电路与超声波收发电路连接桥梁的作用( 4) 数据显示与通信电路。实现对流量计各种信号输出电路主要完成流量计信号的输出,包括4 ~ 20 mA 和 RS485 两种输出模式。并且该设备可以在煤矿中使用,其输出接口需要设计为本质安全型,因此接口电路需要进行隔离处理。( 5) 时差测量部分。超声波流量计的设计实现过程中,超声波在流体中顺流和逆流的传播时差十分微小,流量计的精度直接受测量时间的精度影响,所以测量时间精度的保障非常重要,时间间隔测量在整个超声波流量计系统中占有非常重要的地位。TDC-GP2 的测量外围电路如图4所示。在时差法测量系统中的传感器仅由 2 个换能器组成这样的结构设计使得电路部分会的十分简单、可靠稳定。同时,在时差法测量系统中还需要注意影响测量精度的因素,并采取相应的措施,使芯片在使用中达到更好的效果。

时间4.jpg

3 .电路的应用

超声波流量计采用了外贴式超声波换能器,这样在施工过程中就不需要在管道上打孔安装或是制作专门的测量管段,可直接通过卡具直接安装在管道外部,并且对管道压力无任何要求,具有安装方便、不需要改变管道结构的特点。在超声波流量计的设计和使用中,对于时间的测量是保证其精度的关键。众所周知,无论采取什么样的措施,测量精度永远不会高于所采用的测量尺子的精度,而 TDC-GP2 无疑是一把精度更高的尺子,利用它可以进一步实现提高测量精度。它提供了与微处理器的多种接口方式,尤其是 SPI 接口方式十分适合与单片机进行接口连接,占用口线少且实现方便。

 

4.结语

 

本文设计采用了超精度时差芯片 TDC-GP2 来实现对超声波管道流量计中的对声波时间差的测量,该芯片具有功能可靠、准确度高、低功耗等特点,保证了流量计设计和实现中对声波传播时差测量的

精度和可靠性。超声波流量计可以有效解决非介入式的管道液体、气体等流量的实时测量,可广泛适用于煤矿、石油、水电水利等工业、民用环境中,具有广阔的市场前景和应用价值。

 

 

 



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