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            TDC7200高精度超聲波流量計的時差法流量測量理論方法分析

            作者: 來源: 發布時間:2018-03-15 10:29:37

            摘要:超聲波流量計有非接觸、安裝方便等優點,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境中體現出了較高的精度,靜態水流中順流和逆流時間差很平穩,標準差達到0.179ns。

            0、引言:
             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精確地測量,測量流體流量的儀器儀表被稱為流量儀或者流量計。早在1981年,三暢儀表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。
             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。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zui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展,相繼出現了高度集成的時間數字轉換芯片(timetodigitalconverter,TDC),不但性能優秀,而且操作簡便,大大減小流量計的體積,提供更好的可靠性,本次設計選用的TDC7200就是其中之一。

            1、時差法測量原理:
             時差法超聲波流量計的測量原理,超聲波在動態的流體中,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。基于時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。

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            圖1超聲波時差法測量原理


             圖1中t1為上游換能器發射、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:

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            計算公式


            t1=D/cosθC+Vsinθ(1)超聲波速度減去流體速度分量可得逆流時間:t2=D/cosθC-Vsinθ(2)t2和t1相減可得到時間差:ΔT=t2-t1=2DVtanθC2-V2sin2θ(3)因常見流體中聲速C遠大于流體的流速V,即C2》V2,可以化簡得[9]:V≈C22DtanθΔT
             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zui多可支持5個STOP信號,使用戶可以靈活選擇zui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。

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            圖2TDC7200的功能模塊


             TDC7200根據具體使用場景所需測量的時間長度,分為兩種測量模式。模式1,測量范圍為12~500ns,適合完成時間間隔較短的測量任務,芯片只會使用內部振蕩器,對START信號和STOP信號之間的時間計數。模式2,可測量250ns~8ms,芯片將會使用內部振蕩器和外部時鐘。內部振蕩器完成精細時間計數,而外部時鐘進行粗略時間計數,如圖所示。內部振蕩器對START信號的第1個上升沿和隨后的第1個外部時鐘上升沿之間的時間計數,隨后關閉內部振蕩器,計數器對外部時鐘進行計數;直到接收到STOP信號后,內部振蕩器將重新啟動,對STOP信號上升沿和隨后的第1個外部時鐘上升沿之間的時間計數。在模式2中,TDC7200還支持多達128次的自主多周期平均測量,當開啟自主多周期測量后,TDC7200啟動測量后將會自動進行多次測量,并在完成設定的測量次數后才會發出中斷,器件主控芯片可以進入休眠,在提高測量精度的同時盡量降低系統功耗[11]。TDC7200在模式2時的測量工作時序如圖3所示。

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            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,驅動換能器發出超聲波以及處理接收到的回波。系統整體框圖如圖4所示。

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            圖4流量計系統框圖


             STM32FB407使用SWD模式調試,使用8M的無源晶振作為時鐘信號,主控芯片通過EN1和EN2分別控制TDC7200和TDC1000的使能端,僅在需要測量時開啟芯片,可以降低系統功耗。同時,STM32FB407通過管腳對測量芯片的狀態引腳進行監測。主控芯片STM32FB407、TDC7200和TDC1000之間通過SPI串行總線通信,STM32FB407作為SPI主設備,完成TDC7200和TDC1000的參數配置、發送測量指令、以及數據計算和系統控制,zui后通過RS232串口將zui終的數據發送給上位機。

            3.1、時間測量模塊設計:
             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管腳發出測量觸發信號給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。

            3.2、超聲波收發模塊設計:
             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。


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            圖5TDC7200核心電路


             長時間的測量也有低功耗模式,zui后還可以連接兩路用于溫度測量的RTD。使用TDC1000,不論是超聲波信號發送的頻率和數量,還是接受信號的放大處理和觸發電平設置,都可以通過SPI配置完成,使得系統具有很強的適應性,免去使用環境發生變化時需要調整電路的麻煩。本次設計中TDC1000和TDC7200共用一塊8MHz的有源晶振作為時鐘信號,通過SPI總線由主控芯片STM32FB407配置分頻系數,用于產生對應頻率的超聲波信號。TDC1000的TRIGGER管腳接收由TDC7200發出的測量觸發信號,START管腳和STOP管腳分別向TDC7200發出測量開始信號和測量停止信號[14]。超聲波收發模塊核心電路如圖6所示。

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            圖6TDC1000電路


             設計中整個系統使用了5V電源供電,如果用TDC1000直接驅動超聲波換能器,接收到的波形幅值很弱,測量的精度不高,因此使用TPS61170芯片將驅動電壓提升到30V后驅動換能器,測量距離可以明顯增加,接收到的波形幅值也更大,可以提高測量精度。

            3.3、軟件設計:
             系統軟件設計使用了意法半導體公司的STM32cubeMX軟件工具,可以快速配置系統時鐘和管腳功能,并且自動配置好FreeRTOS嵌入式實時操作系統,提高開發效率和系統穩定性。然后用用C語言在Keil5中編寫代碼。
             系統上電后完成系統初始化,開啟SPI和UART串口,進入FreeRTOS的主線程后,使能TDC7200和TDC1000,通過SPI分別配置好TDC7200和TDC1000的工作參數。完成配置后STM32FB407向TDC7200發出測量指令,TDC7200收到測量指令后立刻發送觸發信號給TDC1000,隨后TDC1000通過驅動電路驅動換能器發出超聲波,并同時發出START信號觸發TDC7200開始計時,當TDC1000接收到符合預設條件的超聲波回波便產生STOP信號,TDC7200收到STOP信號后停止計時并中斷STM32FB407,STM32FB407通過SPI總線從TDC7200的寄存器中讀取結果,zui后STM32FB407通過公式計算出傳播時間。系統每隔100ms進行一次測量,并在每次測量完成后交換測量通道,分別測得順游和逆游的超聲波傳播時間,根據時間差可以計算出瞬時流量。系統流程如圖7所示。


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            圖 7 系統流程

            4、系統測試:
              系統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,能夠發送并接收超聲波。將上下游兩個超聲波換能器放置在常溫靜態水流中測試靜態數據,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 每次發送 3 個波形,使用程序控制切換通道,發送端和接收端的波形如圖 8 所示。

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            圖 8 超聲波收發波形圖 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,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:
              在此,我們三暢儀表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zui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。

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