TDC7200高精度超聲波流量計(jì)
摘要:超聲波流量計(jì)有非接觸、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于TDC7200的時(shí)差法超聲波流量計(jì)。系統(tǒng)選用高精度的時(shí)間測(cè)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(jì)的模擬電路，將對(duì)流量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)間的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量精度可達(dá)ps量級(jí)。分析了時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理，介紹了TDC7200芯片的詳細(xì)信息，闡述了超聲波流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，完成了流量計(jì)的初步測(cè)試工作。設(shè)計(jì)的流量計(jì)在實(shí)測(cè)環(huán)境中體現(xiàn)出了較高的精度，靜態(tài)水流中順流和逆流時(shí)間差很平穩(wěn)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.179ns。
在許多生產(chǎn)和計(jì)量場(chǎng)景中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、準(zhǔn)確計(jì)量收費(fèi)等，都需要對(duì)流體流量進(jìn)行地測(cè)量，測(cè)量流體流量的儀器儀表被稱為流量?jī)x或者流量計(jì)［1］。早在1931年，法國(guó)的Ｒutten就提出了根據(jù)超聲波信號(hào)傳播的時(shí)間差來(lái)完成對(duì)流體流量的測(cè)量［2］。
此后，超聲技術(shù)就逐漸被實(shí)際應(yīng)用于流量測(cè)量，利用超聲波在流體中的傳播特性，將對(duì)流量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)間、頻率等參數(shù)的測(cè)量，結(jié)合其他物理參數(shù)再計(jì)算出流量，具有精度高、非接觸、不破壞流體等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)測(cè)量原理的不同，又可以分為時(shí)差法、頻差法、多普勒法、相關(guān)法以及波束偏移法等［3］。因?yàn)槌杀竞褪褂帽憷缘仍颍渲袝r(shí)差法和多普勒法應(yīng)用較為廣泛，但是多普勒法的測(cè)量精度不高，實(shí)際應(yīng)用中時(shí)差法使用得***多。
本文所設(shè)計(jì)的流量計(jì)采用了時(shí)差法，利用超聲波在順流和逆流的傳播時(shí)間會(huì)受到流體速度的影響，通過(guò)兩者的時(shí)間差值計(jì)算出流體的速度，而時(shí)間差的精度幾乎決定了整個(gè)測(cè)量結(jié)果的精度。如今，集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了高度集成的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(timetodigitalconverter，
1、時(shí)差法測(cè)量原理：
時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理［4-5］，超聲波在動(dòng)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(shí)與流體運(yùn)動(dòng)分量正向疊加從而傳播速度增加，傳播時(shí)間減小，而逆流時(shí)與流體運(yùn)動(dòng)分量反向疊加從而傳播速度減小，傳播時(shí)間增加。因此順逆流方向聲波傳播時(shí)間與逆流方向超聲波傳播時(shí)間會(huì)有差值。基于時(shí)差法的超聲波流量計(jì)的核心原理，根據(jù)流體介質(zhì)的流速與上述時(shí)間差為線性關(guān)系，只要準(zhǔn)確測(cè)量出時(shí)間差，就可以間接得到瞬時(shí)流速，從而可以求出流體的瞬時(shí)流量［6］。超聲波時(shí)差法測(cè)量原理如圖1所示。
圖1超聲波時(shí)差法測(cè)量原理
圖1中t1為上游換能器發(fā)射、下游換能器接收時(shí)，超聲波在管道中的傳播時(shí)間，即順流時(shí)間;t2為下游換能器發(fā)射、上游換能器接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即逆流時(shí)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(gè)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(shè)順逆流傳播的時(shí)間差為ΔT［8］，順流時(shí)間為:
由式(4)可知流體的速度V與順逆流的時(shí)間差ΔT成正比關(guān)系，要提高流量計(jì)的測(cè)量精度，則需提高對(duì)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度［10］。管道截面積和安裝角度等參數(shù)確定后，根據(jù)上下游超聲波傳播的時(shí)間差就能實(shí)時(shí)測(cè)量出瞬時(shí)流量。
2、TDC7200芯片介紹：
超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度是流量計(jì)的設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。TDC7200是德州儀器TI公司于2015年推出的、面向水、燃?xì)?、熱量?jì)量應(yīng)用的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率達(dá)到了55ps，標(biāo)準(zhǔn)偏差為35ps，并且***多可支持5個(gè)STOP信號(hào)，使用戶可以靈活選擇***佳的STOP信號(hào)。芯片內(nèi)置自校準(zhǔn)時(shí)基，可對(duì)時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，這一自校準(zhǔn)功能使得時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠獲得ps級(jí)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(shù)據(jù)讀取等操作。
圖2TDC7200的功能模塊
圖3TDC7200模式2的工作時(shí)序
3、超聲波流量計(jì)：
設(shè)計(jì)流量計(jì)使用上述的TDC7200用于超聲波傳播的高精度時(shí)間測(cè)量，使用低功耗32位AＲM芯片STM32FB407作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制芯片，主要完成指令配置、數(shù)據(jù)計(jì)算以及上位機(jī)通信［11-12］。同時(shí)，使用同是TI公司生產(chǎn)的TDC1000芯片作為模擬前端，驅(qū)動(dòng)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(jì)系統(tǒng)框圖
根據(jù)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(cè)量時(shí)間在us量級(jí)，因此設(shè)定TDC7200的工作模式為模式2，測(cè)量范圍為250ns～8ms。在模式2中，TDC7200需要同時(shí)使用內(nèi)部振蕩器和外部時(shí)鐘，外部時(shí)鐘使用了一塊頻率為8MHz的有源晶振，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。TDC7200通過(guò)SPI總線和主控芯片STM32FB407相連，接收指令并傳輸測(cè)量結(jié)果。TDC7200收到測(cè)量指令后TＲIGG管腳發(fā)出測(cè)量觸發(fā)信號(hào)給TDC1000，STAＲT管腳立刻準(zhǔn)備接收STAＲT信號(hào)并在收到STAＲT信號(hào)后啟動(dòng)計(jì)時(shí)，而當(dāng)STOP管腳接收到符合設(shè)定要求的STOP信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，隨后INTB管腳向主控芯片STM32FB407發(fā)出中斷信號(hào)表示測(cè)量完成。時(shí)間測(cè)量芯片TDC7200的核心電路如圖5所示。
為了能夠更好地驅(qū)動(dòng)超聲波換能器并準(zhǔn)確處理接收到的超聲波，設(shè)計(jì)中使用TDC1000替代了通常使用的超聲波模擬驅(qū)動(dòng)電路。TDC1000是TI公司生產(chǎn)的一款適用于超聲波測(cè)量應(yīng)用的模擬前端，測(cè)量寬度可達(dá)8ms，包含了兩個(gè)可以自動(dòng)切換的超聲波測(cè)量通道，可以滿足本設(shè)計(jì)中需要分別測(cè)量順流時(shí)間和逆流時(shí)間的要求。同時(shí)，TDC1000可以驅(qū)動(dòng)工作頻率范圍在31.25kHz～4MHz的超聲波換能器，并且內(nèi)部集成了低噪聲、可編程的增益放大器，也可以設(shè)定接收波形的閾值比較器的門限，針對(duì)較
圖5TDC7200核心電路
圖6TDC1000電路
3.3、軟件設(shè)計(jì)：
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用了意法半導(dǎo)體公司的STM32cubeMX軟件工具，可以快速配置系統(tǒng)時(shí)鐘和管腳功能，并且自動(dòng)配置好FreeＲTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。然后用用C語(yǔ)言在Keil5中編寫(xiě)代碼。
圖 7 系統(tǒng)流程
4、系統(tǒng)測(cè)試：
系統(tǒng)測(cè)試中中選用了杭州安布雷拉公司生產(chǎn)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(gè)超聲波換能器放置在常溫靜態(tài)水流中測(cè)試靜態(tài)數(shù)據(jù)，分別連接到流量計(jì)電路的兩個(gè)通道中，換能器驅(qū)動(dòng)端升壓至 30 V驅(qū)動(dòng)，安裝位置與水流的角度為 45°，測(cè)試管徑為 4. 8 cm。設(shè)定 TDC1000 每次發(fā)送 3 個(gè)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(cè)量時(shí)間曲線圖
可以看到順流和逆流的傳播時(shí)間曲線的走勢(shì)基本一致，播時(shí)間值的均值分別為 4 682. 2 和 4 682. 1 ns，并且標(biāo)準(zhǔn)差都小于 0. 53 ns，順流和逆流的傳播時(shí)間波動(dòng)由環(huán)境震動(dòng)等干擾因素引起; 順流和逆流的傳播時(shí)間差值曲線整體很平穩(wěn)，均值為 1. 086 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為 0. 179 ns，均值 1. 086 ns的平均時(shí)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(jié)論：
本文分析了時(shí)差法流量測(cè)量理論方法，以由 TDC7200時(shí)間測(cè)量模塊為核心，采用可編程設(shè)定的 TDC1000 替代了以往超聲波流量計(jì)的模擬電路，設(shè)計(jì)了一種時(shí)間測(cè)量 ps 級(jí)分辨率的高精度超聲波流量計(jì)，可以滿足非接觸、非破壞要求的測(cè)量場(chǎng)景。同時(shí)，高精度、穩(wěn)定的時(shí)間測(cè)量還可以運(yùn)用在液位檢測(cè)、密度檢測(cè)、溫度檢測(cè)等領(lǐng)域，具體一定的普適性。從***終的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和曲線中可以看到，流量計(jì)中的時(shí)間測(cè)量精度很高，穩(wěn)定性也很好，在高精度的時(shí)間測(cè)量基礎(chǔ)上，結(jié)合液體橫截面和安裝角度等參數(shù)，加上數(shù)字濾波等操作可以完成高精度的流量測(cè)量，對(duì)流量計(jì)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有參考和指導(dǎo)意義。