TDC7200高精度超聲波流量計
摘要:超聲波流量計有非接觸、安裝方便等優(yōu)點，在國民生產中有著廣泛的應用，設計了一種基于TDC7200的時差法超聲波流量計。系統(tǒng)選用高精度的時間測量芯片TDC7200為核心，以STM32FB407為控制芯片，用模擬前端TDC1000芯片替代了以往超聲波流量計的模擬電路，將對流量的測量轉換為對時間的測量，實現時間測量精度可達ps量級。分析了時差法超聲波流量計的測量原理，介紹了TDC7200芯片的詳細信息，闡述了超聲波流量計的硬件結構和軟件設計，完成了流量計的初步測試工作。設計的流量計在實測環(huán)境中體現出了較高的精度，靜態(tài)水流中順流和逆流時間差很平穩(wěn)，標準差達到0.179ns。
在許多生產和計量場景中，為了保證產品質量、提高生產效率、準確計量收費等，都需要對流體流量進行地測量，測量流體流量的儀器儀表被稱為流量儀或者流量計［1］。早在1931年，法國的Ｒutten就提出了根據超聲波信號傳播的時間差來完成對流體流量的測量［2］。
此后，超聲技術就逐漸被實際應用于流量測量，利用超聲波在流體中的傳播特性，將對流量的測量轉換為對時間、頻率等參數的測量，結合其他物理參數再計算出流量，具有精度高、非接觸、不破壞流體等優(yōu)勢。根據測量原理的不同，又可以分為時差法、頻差法、多普勒法、相關法以及波束偏移法等［3］。因為成本和使用便利性等原因，其中時差法和多普勒法應用較為廣泛，但是多普勒法的測量精度不高，實際應用中時差法使用得***多。
本文所設計的流量計采用了時差法，利用超聲波在順流和逆流的傳播時間會受到流體速度的影響，通過兩者的時間差值計算出流體的速度，而時間差的精度幾乎決定了整個測量結果的精度。如今，集成電路技術的飛速發(fā)展，相繼出現了高度集成的時間數字轉換芯片(timetodigitalconverter，
1、時差法測量原理：
時差法超聲波流量計的測量原理［4-5］，超聲波在動態(tài)的流體中，超聲波在順流和逆流方向傳播的距離相同，順流時與流體運動分量正向疊加從而傳播速度增加，傳播時間減小，而逆流時與流體運動分量反向疊加從而傳播速度減小，傳播時間增加。因此順逆流方向聲波傳播時間與逆流方向超聲波傳播時間會有差值?；跁r差法的超聲波流量計的核心原理，根據流體介質的流速與上述時間差為線性關系，只要準確測量出時間差，就可以間接得到瞬時流速，從而可以求出流體的瞬時流量［6］。超聲波時差法測量原理如圖1所示。
圖1超聲波時差法測量原理
圖1中t1為上游換能器發(fā)射、下游換能器接收時，超聲波在管道中的傳播時間，即順流時間;t2為下游換能器發(fā)射、上游換能器接收時，超聲波在管道中傳播時間，即逆流時間［7］。取流體的流速為V，超聲波在流體中的傳播速度為C，管道直徑為D，兩個超聲波換能器的安裝角度為θ。上下游超聲換能器交替發(fā)射和接收超聲波，設順逆流傳播的時間差為ΔT［8］，順流時間為:
由式(4)可知流體的速度V與順逆流的時間差ΔT成正比關系，要提高流量計的測量精度，則需提高對超聲波傳播時間的測量精度［10］。管道截面積和安裝角度等參數確定后，根據上下游超聲波傳播的時間差就能實時測量出瞬時流量。
2、TDC7200芯片介紹：
超聲波傳播時間的測量精度是流量計的設計的核心問題。TDC7200是德州儀器TI公司于2015年推出的、面向水、燃氣、熱量計量應用的時間數字轉換芯片，其分辨率達到了55ps，標準偏差為35ps，并且***多可支持5個STOP信號，使用戶可以靈活選擇***佳的STOP信號。芯片內置自校準時基，可對時間和溫度偏差進行補償，這一自校準功能使得時間數字轉換器能夠獲得ps級精度。接口方面，TDC7200支持SPI串行總線通訊，可以非常方便地由MCU完成指令配置、數據讀取等操作。
圖2TDC7200的功能模塊
圖3TDC7200模式2的工作時序
3、超聲波流量計：
設計流量計使用上述的TDC7200用于超聲波傳播的高精度時間測量，使用低功耗32位AＲM芯片STM32FB407作為整個系統(tǒng)的主控制芯片，主要完成指令配置、數據計算以及上位機通信［11-12］。同時，使用同是TI公司生產的TDC1000芯片作為模擬前端，驅動換能器發(fā)出超聲波以及處理接收到的回波。系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。
圖4流量計系統(tǒng)框圖
根據超聲波在流體中的傳播速度和需要傳播的距離可估算出需要的測量時間在us量級，因此設定TDC7200的工作模式為模式2，測量范圍為250ns～8ms。在模式2中，TDC7200需要同時使用內部振蕩器和外部時鐘，外部時鐘使用了一塊頻率為8MHz的有源晶振，提供穩(wěn)定的時鐘信號。TDC7200通過SPI總線和主控芯片STM32FB407相連，接收指令并傳輸測量結果。TDC7200收到測量指令后TＲIGG管腳發(fā)出測量觸發(fā)信號給TDC1000，STAＲT管腳立刻準備接收STAＲT信號并在收到STAＲT信號后啟動計時，而當STOP管腳接收到符合設定要求的STOP信號后停止計數，隨后INTB管腳向主控芯片STM32FB407發(fā)出中斷信號表示測量完成。時間測量芯片TDC7200的核心電路如圖5所示。
為了能夠更好地驅動超聲波換能器并準確處理接收到的超聲波，設計中使用TDC1000替代了通常使用的超聲波模擬驅動電路。TDC1000是TI公司生產的一款適用于超聲波測量應用的模擬前端，測量寬度可達8ms，包含了兩個可以自動切換的超聲波測量通道，可以滿足本設計中需要分別測量順流時間和逆流時間的要求。同時，TDC1000可以驅動工作頻率范圍在31.25kHz～4MHz的超聲波換能器，并且內部集成了低噪聲、可編程的增益放大器，也可以設定接收波形的閾值比較器的門限，針對較
圖5TDC7200核心電路
圖6TDC1000電路
3.3、軟件設計：
系統(tǒng)軟件設計使用了意法半導體公司的STM32cubeMX軟件工具，可以快速配置系統(tǒng)時鐘和管腳功能，并且自動配置好FreeＲTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)，提高開發(fā)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后用用C語言在Keil5中編寫代碼。
圖 7 系統(tǒng)流程
4、系統(tǒng)測試：
系統(tǒng)測試中中選用了杭州安布雷拉公司生產的 DYW-1 M-01E 型超聲波換能器，是一款工作頻率為 1 MHz 的超聲波換能器，能夠發(fā)送并接收超聲波［15］。將上下游兩個超聲波換能器放置在常溫靜態(tài)水流中測試靜態(tài)數據，分別連接到流量計電路的兩個通道中，換能器驅動端升壓至 30 V驅動，安裝位置與水流的角度為 45°，測試管徑為 4. 8 cm。設定 TDC1000 每次發(fā)送 3 個波形，使用程序控制切換通道，發(fā)送端和接收端的波形如圖 8 所示。
圖 8 超聲波收發(fā)波形圖 9 測量時間曲線圖
可以看到順流和逆流的傳播時間曲線的走勢基本一致，播時間值的均值分別為 4 682. 2 和 4 682. 1 ns，并且標準差都小于 0. 53 ns，順流和逆流的傳播時間波動由環(huán)境震動等干擾因素引起; 順流和逆流的傳播時間差值曲線整體很平穩(wěn)，均值為 1. 086 ns，標準差為 0. 179 ns，均值 1. 086 ns的平均時間差換算為超聲波傳播距離約 1. 57 μm，可能由換能器的安裝位置角度、制造工藝等因素引起。
5、結論：
本文分析了時差法流量測量理論方法，以由 TDC7200時間測量模塊為核心，采用可編程設定的 TDC1000 替代了以往超聲波流量計的模擬電路，設計了一種時間測量 ps 級分辨率的高精度超聲波流量計，可以滿足非接觸、非破壞要求的測量場景。同時，高精度、穩(wěn)定的時間測量還可以運用在液位檢測、密度檢測、溫度檢測等領域，具體一定的普適性。從***終的實測數據和曲線中可以看到，流量計中的時間測量精度很高，穩(wěn)定性也很好，在高精度的時間測量基礎上，結合液體橫截面和安裝角度等參數，加上數字濾波等操作可以完成高精度的流量測量，對流量計的進一步設計和實現具有參考和指導意義。