摘 要： 介紹了應(yīng)用德國ACAM公司設(shè)計的時間轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2開發(fā)的超聲波氣體流量計，流量計具備低功耗、高精度等優(yōu)勢。
??? 關(guān)鍵詞： TDC-GP2；超聲波；氣體流量計；時差法
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超聲波氣體流量計是近年來迅速發(fā)展的、正逐步應(yīng)用于天然氣工業(yè)等領(lǐng)域的新型流量計。超聲波測量技術(shù)提供了一種無阻礙式的方法，這是一種沒有活動部件，低壓降和低能量消耗以及高精度的測量流量的方法。與傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計相比克服了易損壞、精度低等缺點(diǎn)，因此超聲波流量計將是今后流量計發(fā)展的趨勢。超聲波氣體流量計的優(yōu)點(diǎn)：(1)不僅能對小管徑而且能對大管徑氣體流量進(jìn)行測量，并且無流阻、無壓力損失；(2)能對各種不同的氣體進(jìn)行測量，測量結(jié)果不受氣體成分改變的影響；(3)不僅能對穩(wěn)定氣流進(jìn)行測量而且還能對脈動氣流進(jìn)行測量；(4)操作簡便，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)自動控制而不需要操作；(5)還可提供氣體分子量(或濃度)的信息。因此，超聲波氣體流量計在大氣體流的計測及工業(yè)應(yīng)用中是很有發(fā)展前途的。
1 系統(tǒng)設(shè)計
??? 由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測量比液體復(fù)雜，儀表的輸出信號除了與輸入信號有關(guān)，還與氣體密度有關(guān)，同時封閉管道中氣體體積流量的測量有多種方法，因時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，迄今為止被國內(nèi)外的廠家廣泛采用，所以本文采用時差法原理測量封閉管道內(nèi)的氣體體積流量。時差法就是根據(jù)時間的變化計算出管道中氣體的體積流量。由于聲波在流體中傳播時，順流方向傳播速度增大，逆流方向則減少，因此傳播速度的變化引起超聲波傳播時間的變化。
1.1 系統(tǒng)綜述
??? 本系統(tǒng)主要通過時差法來測量氣體流量，因此時間的精確性起到了很大的作用。而TDC-GP2具有高精度時間測量、高速脈沖發(fā)生器、接收信號使能和時鐘控制等功能，具有這些特殊功能的模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量的應(yīng)用。TDC-GP2芯片利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化CMOS技術(shù)，將時間間隔的測量量化到65 ps的精度，給超聲波流量計的時差測量提供了完美的解決方案。
1.2 TDC-GP2結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
??? TDC-GP2內(nèi)部集成了非常多的適用于超聲波流量測量的功能。TDC-GP2的單次時間間隔測量的典型精度為65 ps，即內(nèi)部通過1個邏輯門的時間被確定在大約65 ps。假設(shè)被測管徑為100 mm，流量為70 l/min。其他參數(shù)：流體的流動速度v為0.148 5 m/s；超聲波行走的路徑長度L為0.141 4 m；聲音在介質(zhì)中的傳播速度C0為1 500 m/s；順流時間和逆流時間的時間差Δt≈13.2 ns。
??? 以GP2的65 ps精度測量所獲得的測量精度將可以優(yōu)于0.5%。TDC-GP2有非常好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性，它的內(nèi)部集成了1個噪聲單元，這個噪聲單元的主要目的就是為了在多次采樣取平均值時可以最大限度地消除噪聲。但采用普通平均的方法是不能消除量化誤差的，因?yàn)樽钚〉牧炕A已經(jīng)固定，平均只能最高達(dá)到最小量化階越的精度。通過引入這個噪聲單元，使平均后的精度能夠(甚至)低于量化階越的精度成為可能[1]。
1.3 流速的測量算法
??? 時差法對超聲波氣體流量計的基本測量原理：
??? 在儀表的測量管段上，斜裝有1對超聲換能器1和換能器2，它們交替發(fā)射和接收超聲波脈沖，如圖1所示[2]。圖1中：C為氣體介質(zhì)的聲速；V為管道中氣體介質(zhì)的流速；L為聲程長度；θ為換能器與管道軸線夾角；D為管道直徑。
??? 在聲程L上，超聲波的傳播速度為聲速和流速分量的疊加。順流、逆流方向上的傳播時間t1、t2分別為：
分別測出順流、逆流方向上的傳播時間t1、t2后，可算出流速V：
因?yàn)闇y量得到的順、逆向上的傳播時間t1、t2包含了電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的固有電聲延時τ1、τ2，須扣除其影響，所以式(3)可以改寫為：
??? 由于管壁及流體內(nèi)部存在摩擦粘滯作用，實(shí)際流體流速在管道載面上存在著流速分布，對于在中心線上的單通道超聲波流量計，其測量的流速V實(shí)際上是管道截面內(nèi)直徑上的線平均速度，而測量流量需要的是管道內(nèi)截面的面平均流速Vm，它們之間并不相等。根據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)雷諾數(shù)大于4 000時，流體呈紊流狀態(tài)，此時線平均流速與面平均流速之間存在一動力學(xué)因子K(管道雷諾數(shù)Re的函數(shù)，工程上可在流量計校準(zhǔn)時經(jīng)實(shí)測得到)，即：
??? 
??? 在連續(xù)測量中，只要逐次將測得的Q瞬值對時間積分，就可得到任意時間段內(nèi)的累積流量Q累，體積流量經(jīng)壓力、溫度補(bǔ)償后，可得質(zhì)量流量Q質(zhì)：
式中，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體介質(zhì)密度；p0、p分別為標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際狀態(tài)下的壓力；T0、T分別為標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際狀態(tài)下的溫度；Z為氣體壓縮系數(shù)。由式(4)、式(6)可以看出，聲時t1、t2的測量是流量測量的關(guān)鍵，在參數(shù)D、L、θ、τ1、τ2、K確定后，只要準(zhǔn)確測出t1、t2，就能準(zhǔn)確求得管道內(nèi)的流速V及瞬時流量Q瞬，進(jìn)而可求得累計流量Q累、質(zhì)量流量Q質(zhì)[2-4]。
2 測量超聲波流量的典型原理
??? 圖2為一個典型的信號處理的概念原理圖。為了能夠盡可能地保持零點(diǎn)流量時的時間延遲統(tǒng)一性，系統(tǒng)的接收和發(fā)射電路部分應(yīng)該盡量保持絕對一致的關(guān)系。在換能器附近放置1個選擇開關(guān)來選擇換能器以保持電路相同，將會對測量非常有幫助[5]。
3 應(yīng)用TDC-GP2的超聲波流量計的設(shè)計方案
??? 圖3為應(yīng)用TDC-GP2設(shè)計的超聲波氣體流量計的簡單原理圖。整個超聲波測量系統(tǒng)通過單片機(jī)控制以及一些簡單電路，就可以實(shí)現(xiàn)對于流量的測量，其中核心的時差測量都是由TDC-GP2這個僅5 mm見方的芯片完成的。除了功耗和精度方面的巨大優(yōu)勢外，TDC-GP2的高集成度使整個氣體流量計的電路設(shè)計簡單緊密。
??? 采用TDC-GP2設(shè)計的超聲波氣體流量計系統(tǒng)在提高測量精度的同時大大降低了功耗，是超聲波流量計的最佳選擇。應(yīng)用此芯片開發(fā)的系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、測量精度高、成本低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。已有廠商使用此芯片成功地進(jìn)行了超聲波流量計的研發(fā)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，TDC-GP2為超聲波流量計及超聲波氣體流量計的性能提供了保障。
參考文獻(xiàn)
[1] 德國acam messelectronic有限公司.TDC-cookbook.2003.
[2] 王彥芳，王小平，宋萬民，等.時差法超聲波流量計的高精度測量技術(shù)[J].微計算機(jī)信息，2006，22(6-1).
[3] 王立琦，王珍.高精度超聲波流量計的研制[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001(9)：47-49.
[4] 黃建軍，劉存.改進(jìn)超聲波流量計性能的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2001(8)：87-88.