我國稀土工業(yè)發(fā)展迅速, 但由于我國的稀土工業(yè)在對過程的自動監(jiān)測方面起步較晚, 尚未全部實現(xiàn)各串級之間流量等數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測, 目前仍處于比較落后的狀態(tài)。由于萃取槽流量測量具有復雜的環(huán)境條件和多樣的應用場合, 因此要根據(jù)具體的測量對象、測量范圍和應用場合, 綜合考慮***合適的流量測量裝置。超聲波流量計作為非接觸式流量計, 在進行流體流量測量時, 只需將超聲波換能器安裝在管道的外側(cè)即可實現(xiàn)對流體流量的測量, 不需要修改原有管道, 可以在高溫、高壓等條件下實現(xiàn)對腐蝕性流體的流量測量, 而且在測量過程中不會對管道內(nèi)流體的流動產(chǎn)生干擾, 因此得到廣泛的應用[1,2]。隨著集成電路的不斷發(fā)展, 出現(xiàn)了各式各樣的高速計時芯片, 德國ACAM公司生產(chǎn)的高精度計時芯片TDC-GP22, 具有時鐘測量單元、溫度測量單元、停止信號使能、高速脈沖發(fā)生器、模擬控制部分、可編程比較器和波檢測等功能。這就使得超聲波流量計在保證精度的同時也簡化了硬件電路的設(shè)計。

時差法的工作原理就是通過測量超聲波在流體中順、逆流的時間差, 利用流體流速與傳播時間之間的關(guān)系可求出流體的平均流速V, 進而求得流量Q[3~8]。其測量原理示意圖如圖1所示。

根據(jù)圖1, 換能器A和換能器B交替發(fā)射和接收超聲波信號, 順流時, 超聲波在液體中的傳播時間為:

逆流時, 超聲波在液體中的傳播時間為:

式中, 兩換能器相對于流體流速方向的角度為α, 超聲波在兩換能器之間的傳播距離為L, 流體流速為ν, 被測管道直徑為D, 超聲波在流體中的流速為流體流速ν和聲速c在傳輸路徑上的矢量和[5], τ0是超聲波在非流體介質(zhì)中順流和逆流傳播時所用的時間。

根據(jù)公式 (1) 和 (2) , 可求得流體流速ν和順逆流時間差:

由于超聲波在液體中的傳播速度受溫度等因素的影響, 所以在實際應用中盡量在計算公式中將聲速這個變量排除。根據(jù)公式 (3) 可以看出, 不需要知道聲速, 這樣避免了其它因素對聲速的影響, 從而消除了聲速對精度的影響, 因通過公式 (3) 計算出的速度為流體的軸向平均流速ν, 而不是瞬時速度νA, 因此需要乘以一個流量修正系數(shù)K:

根據(jù)流體力學, 當雷諾數(shù)Re在某一范圍內(nèi)時, K為定值, 其大小在標定過程中確定。

再根據(jù)管道的尺寸參數(shù)來求出管道橫截面積S, 進而求得流體的瞬時流量Q[9]:

為保證超聲波在流體介質(zhì)中的測量, 簡化硬件外圍電路的設(shè)計, 提高系統(tǒng)設(shè)計的集成度, 降低開發(fā)難度, 選擇了德國ACAM公司生產(chǎn)的高精度計時芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片使用粗值計數(shù)器與高速計時相結(jié)合的方式進行高精度計時, 粗值計數(shù)器采用脈沖計數(shù)法通過記錄基準時鐘脈沖數(shù)從而計算出時間間隔;高速計時單元通過內(nèi)部邏輯門的延遲來進行時間間隔的高精度測量, 測量精度主要取決于信號通過芯片內(nèi)部邏輯門的傳播時間。TDC-GP22芯片測量時間的原理圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用TDC-GP22芯片的測量方式2, 該方式下的測量范圍為500 ns~4 ms, 計時單元由start信號觸發(fā), stop信號結(jié)束, 芯片測量的不是整個時間間隔, 而是測量從start信號和stop信號到相鄰基準時鐘上升沿之間的間隔時間和, 同時TDC-GP22芯片會記下兩次精密測量之間基準時鐘的脈沖個數(shù)n, 測量范圍可達到26位[10]。

TDC-GP22芯片的ALU計算時間間隔的計算公式為:

式中:Tref為基準時鐘的周期;T為測量時間;cal2、cal1為校準時鐘周期。

雖然TDC-GP22計時芯片的集成度很高, 但是TDC-GP22芯片內(nèi)部缺少中央處理器CPU, 因此需要外部連接一個單片機對芯片內(nèi)部的運算單元ALU、數(shù)字轉(zhuǎn)換單元TDC等模塊進行控制, 整個電路系統(tǒng)采用選用意法半導體 (ST) 公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為主控芯片, STM32F103RCT6是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式-微控制器, 具有256 k B的程序存儲器, 48 k B的片上RAM, 主頻為72 MHz, 具有豐富的片上外設(shè), 而且芯片TDC-GP22內(nèi)部還集成有4線的SPI接口, 可以直接與單片機連接進行數(shù)據(jù)通訊, 實現(xiàn)對超聲波信號傳播時間的測量和流量的計算。

TDC-GP22的外圍電路圖如圖3所示, 整個外圍系統(tǒng)中, 需要用到兩個晶振來保證其正常工作, 一個是如圖中的Y2 (4 MHz) 所示的高速校準時鐘單元, 另一個是32.768 k Hz的基準時鐘, 用于時鐘校準和控制高速時鐘的起振。

在工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集中, 由于現(xiàn)場情況十分復雜, 各個節(jié)點之間存在很高的共模電壓, 容易造成SPI接口無法正常工作, 嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設(shè)備。因此, 在強干擾環(huán)境中, 或是高的性能要求下, 就必須對SPI總線各個通信節(jié)點實行電氣隔離。傳統(tǒng)的SPI總線隔離方法是光耦合器技術(shù), 使用光束來隔離和保護檢測電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口, 需要使用大量的電阻、三極管才能正常工作, 而ADI的ADu M數(shù)字隔離器中的ADu M1411是一種四通道數(shù)字隔離芯片, 一個芯片就可以完全替代使用光耦隔離的整個電路。而其僅需通用集成電路的兩個旁路電容就可以正常工作了。

TDC-GP22芯片內(nèi)的脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生的激勵方波的幅值為3.3 V, 超聲波換能器不能被充分地激發(fā), 并且發(fā)射的超聲波信號在飛行過程中, 由于管道以及液體流動等因素的影響, 信號會在介質(zhì)中出現(xiàn)衰減現(xiàn)象, 使信號變得微弱, 并且會帶有介質(zhì)內(nèi)部的噪聲以及電子電路噪聲等, 使得芯片內(nèi)的檢測單元無法準確獲取超聲波信號, 從而無法進行對超聲波飛行時間的計算, 所以就需要更大能量的激勵信號, 因此在芯片TDC-GP22的外圍電路中設(shè)計了信號放大電路。

如圖4所示為超聲波信號放大電路。首先通過雙路運算放大器LM358N電源電路將從24 V的電源得到正負10 V的電源。LM358N具有低功耗底、高增益、工作電壓范圍寬可以在低至3.0 V或高達32 V的電源電壓下工作、靜態(tài)電流小等特點, 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式。然后, 通過MOSFET驅(qū)動器芯片TC4427和TC4426, 將TDC-GP22和所產(chǎn)生的頻率為1 MHz電壓為0~3.3 V的信號, 轉(zhuǎn)換為頻率為1 MHz電壓為0~10 V的信號和頻率為1 MHz電壓為-10~0的信號。TC4427和TC4426具有輸出電流高、輸入電源電壓工作范圍寬、驅(qū)動能力強、響應時間快、抗干擾能力強等特點。TDC-GP22所產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大以后, ***終所施加到超聲波換能器兩端的信號為頻率為1 MHz電壓為0~20 V的激勵信號, 如圖5所示, 經(jīng)測試此信號能夠滿足此系統(tǒng)中所使用的換能器對激勵信號功率的要求。

經(jīng)試驗測試, 不同流速下流量計的誤差統(tǒng)計見表1, 由表1可以看出, 當流體 (水) 的流速在300~3 000 L/h時, 超聲波流量計的相對誤差小, 達到了設(shè)計要求, 重復性誤差相對較小, 且精度基本保證在±0.5%范圍內(nèi)。

試驗通過研究改進時差法原理、發(fā)射信號放大電路及抗干擾等問題, 針對現(xiàn)有流量計電路復雜, 不適用于強酸強堿的特殊環(huán)境及多電機運轉(zhuǎn)的特殊場合, 使用高精度數(shù)字計時芯片TDC-GP22進行計時, 有效地簡化了超聲波流量計外圍電路的設(shè)計, 同時保證了器測量精度, 針對超聲波信號衰減嚴重的問題, 設(shè)計了超聲波信號放大電路, 針對電機啟動干擾導致的過壓問題, 設(shè)計了數(shù)字隔離電路, ***終提出了一種基于STM32單片機和TDC-GP22高精度時間測量芯片的流量計系統(tǒng)設(shè)計, 有效地防止了電磁干擾的問題, 改善了稀土萃取車間管道流量的監(jiān)測問題, 增加了企業(yè)效益。