超聲波管道流量計的研發(fā)重點是對超聲波在管道液體中順流和逆流時差的測量，并通過信號處理等辦法，將時間信息換算為速度信息，再轉(zhuǎn)換為管道流體所對應的流量信息。采用高精度時差芯片TDC-GP2 實現(xiàn)對超聲波管道流量計中的聲波時間差的測量。論述了時差法超聲波管道流量計的基本原理，介紹了 TDC-GP2 時間測量芯片的功能原理和使用方法，簡述了相關(guān)硬件電路和系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)合以上原理方法，論證了超聲波流量計可行的技術(shù)方案; 通過對時差法測量原理的研究，設計了相關(guān)時差測量電路，以及顯示電路、信號處理電路等電路，并完成了設備的調(diào)試和組裝。超聲波流量計可以有效解決非介入式的管道液體、氣體等流量的實時測量。

0.引言

流量測量在現(xiàn)代化工業(yè)自動控制領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。在水利、化工、煤炭、石油輸送、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中 流量測量儀表有著廣泛的應用。管道流量計的應用是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、節(jié)約資源、提高生產(chǎn)效率和管理水平的重要工具，在各個領(lǐng)域中流量計的需求都在不斷增加。

1931 年，法國的 O． Ｒutten 提出了利用超聲波信號傳播時間差實現(xiàn)對流體流量測量的可能性 。

超聲波流量計是一種非接觸式流量計，其工作原理為超聲波在流動的介質(zhì)中傳播時記錄上了流體的流速信息，因此通過接收到的超聲波就可檢測出流體的流速，進而換算成較準確測量超聲波動信號在流體中傳播的時間差是提高測量精度的關(guān)鍵，時差法是測量管道流量中超聲波流量傳播速度差法的一種 不僅測量方式簡單而且計量精度高。高精度時間測量芯片TDC-GP2 可以有效提高超聲波流量計液體傳播時間差的采集精度。

1.基本原理

1 .1TDC-GP2

TDC-GP2 是德國 TDC 系列的新一代時間數(shù)字轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。TDC 即時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，利用信號通過邏輯門的時間延遲來量化時間間隔，具有高速脈沖發(fā)生器、溫度測量和時鐘控制等功能，能夠高精度地對時間進行采集，其將時間間隔的測量提高到了 65 ps; 外接 2 個晶振，4 MHz 用于時鐘校準和時間測量，32 kHz 用于內(nèi)部定時有了這些特殊功能，超聲波流量計中的時差測量就可以很好地實現(xiàn)，TDC-GP2 在超聲波流量測量和熱量測量方面得到了比較廣泛的應用。

TDC-GP2 的測量范圍有 2 種，其中一個為雙通道，測量范圍 0 ～ 1. 8 μs，分辨率能夠達到 50 psrms，每個通道可進行 4 次采樣，可測量 4 次采樣中任意2 個采樣之間的時間間隔，stop 信號使能功能可測量任意 2 個信號之間的時差 間隔脈沖對分辨能力為 15 ns。另一種模式為單通道，它的測量范圍是500 ns ～ 4 ms，分辨率可達 50 psrms，可以在 2 個校準時鐘周期內(nèi)進行 3 次采樣。在這 2 種狀態(tài)下，輸入信號的上升 / 下降沿可同時觸發(fā)也可單獨觸發(fā)。

芯片可以接 2 個或者 4 個溫度傳感器，其有效的分辨率可以達到 16 位，在每 30 s 測量一次時，電流的消耗 0. 08 μA。

TDC 是以信號通過內(nèi)部門電路的傳輸延時來進行高精度時間間隔測量的 TDC 測量時間的操作原理如圖 1 所示。在測量過程中，信號之間的時間間隔是由芯片通過記下信號通過門電路時的個數(shù)而計算的，stop 停止信號和 start 觸發(fā)信號之間時間間隔通過粗值計數(shù)器的計數(shù)值和環(huán)形振蕩器的位置計算 。

1. 2 時差法

根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時間差與被測流體的流速之間關(guān)系來求得流速的方法被稱為時差法，其本質(zhì)就是超聲波的傳播速度會受到流體流動的影響，故又叫傳播速度差法。時差法超聲流量計工作原理如圖 2 所示，S1 、S2 分別為 2 個換能器，將 2 個換能器以 Z 字方式外貼在管壁的兩側(cè)，它們的夾角為 θ，管道的直徑為 D，水流速為 V，聲波由 S1 傳往 S2 稱之為順流，反之稱為逆流，其傳播時間分別定義為 t1 、t2 。順流時信號傳播速度增加，逆流時信號傳播速度相應減小; 而順流時傳播時間縮短，逆流時傳播時間會相應延長，可以計算出聲波信號在順流和逆流方向傳播的時間的差值( 即時差) 。

2.硬件電路設計

超聲波流量計硬件電路主要分為 6 個部分: 核心控制、超聲波收發(fā)、信號處理與控制、時差測量、數(shù)據(jù)顯示與通信部分。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

( 1) 核心控制部分。主要完成了超聲波信號的發(fā)出與接收的控制、采集數(shù)據(jù)的濾波處理以及數(shù)據(jù)的傳輸。

超聲波發(fā)射部分。超聲波發(fā)射部分是為了給超聲波傳感器提供能量，使其中的壓電晶體產(chǎn)生共振、發(fā)射超聲波的電路。超聲波傳感器接收到的超聲波信號非常小，只有幾毫伏。因此，超聲波接收電路要對這樣小的信號進行檢測和放大，只有當該信號達到一定的幅度時，才能檢測到。

( 3) 信號調(diào)理部分。主要完成時鐘電路的分頻處理、脈沖電路的提取和增益的控制等功能，起到核心控制電路與超聲波收發(fā)電路連接橋梁的作用( 4) 數(shù)據(jù)顯示與通信電路。實現(xiàn)對流量計各種信號輸出電路主要完成流量計信號的輸出，包括4 ～ 20 mA 和 ＲS485 兩種輸出模式。并且該設備可以在煤礦中使用，其輸出接口需要設計為本質(zhì)安全型，因此接口電路需要進行隔離處理。( 5) 時差測量部分。超聲波流量計的設計實現(xiàn)過程中，超聲波在流體中順流和逆流的傳播時差十分微小，流量計的精度直接受測量時間的精度影響，所以測量時間精度的保障非常重要，時間間隔測量在整個超聲波流量計系統(tǒng)中占有非常重要的地位。TDC-GP2 的測量外圍電路如圖4所示。在時差法測量系統(tǒng)中的傳感器僅由 2 個換能器組成這樣的結(jié)構(gòu)設計使得電路部分會的十分簡單、可靠穩(wěn)定。同時，在時差法測量系統(tǒng)中還需要注意影響測量精度的因素，并采取相應的措施，使芯片在使用中達到更好的效果。

3 .電路的應用

超聲波流量計采用了外貼式超聲波換能器，這樣在施工過程中就不需要在管道上打孔安裝或是制作專門的測量管段，可直接通過卡具直接安裝在管道外部，并且對管道壓力無任何要求，具有安裝方便、不需要改變管道結(jié)構(gòu)的特點。在超聲波流量計的設計和使用中，對于時間的測量是保證其精度的關(guān)鍵。眾所周知，無論采取什么樣的措施，測量精度永遠不會高于所采用的測量尺子的精度，而 TDC-GP2 無疑是一把精度更高的尺子，利用它可以進一步實現(xiàn)提高測量精度。它提供了與微處理器的多種接口方式，尤其是 SPI 接口方式十分適合與單片機進行接口連接，占用口線少且實現(xiàn)方便。

4.結(jié)語

本文設計采用了超精度時差芯片 TDC-GP2 來實現(xiàn)對超聲波管道流量計中的對聲波時間差的測量，該芯片具有功能可靠、準確度高、低功耗等特點，保證了流量計設計和實現(xiàn)中對聲波傳播時差測量的

精度和可靠性。超聲波流量計可以有效解決非介入式的管道液體、氣體等流量的實時測量，可廣泛適用于煤礦、石油、水電水利等工業(yè)、民用環(huán)境中，具有廣闊的市場前景和應用價值。