摘要：基於時差法原理和高精度的設計思想，針對稀土萃取生產車間強酸強鹼的特殊環境、多電機運轉的特殊場合以及不能夠改裝原有管道的特殊條件等問題，分析了時差法的測量原理，研究了抗電磁干擾的設計方法，提出了一種基於STM32單片機和TDC-GP22高精度時間測量芯片的超聲波流量計系統設計，在保證其精度的同時，大大簡化了硬件外圍電路的設計，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測問題，增加了企業效益。
超聲波流量計流量測量計算與原理
我國稀土工業發展迅速，但由於我國的稀土工業在對過程的自動監測方面起步較晚，尚未全部實現各串級之間流量等數據的自動監測，目前仍處於比較落後的狀態。由於萃取槽流量測量具有複雜的環境條件和多樣的應用場合，因此要根據具體的測量對象、測量範圍和應用場合，綜合考慮最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即可實現對流體流量的測量，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流體的流動產生干擾，因此得到廣泛的應用[1,2]。隨著集成電路的不斷髮展，出現了各式各樣的高速計時芯片，德國ACAM公司生產的高精度計時芯片TDC-GP22,具有時鐘測量單元、溫度測量單元、停止信號使能、高速脈衝發生器、模擬控制部分、可編程比較器和第一波檢測等功能。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計。
1時差法流量測量原理
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係可求出流體的平均流速V,進而求得流量Q。其測量原理示意圖如圖1所示。
圖1時差法測量原理示意圖
圖1時差法測量原理示意圖
根據圖1,換能器A和換能器B交替發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：
計算公式
逆流時，超聲波在液體中的傳播時間為：
計算公式
式中，兩換能器相對於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，τ0是超聲波在非流體介質中順流和逆流傳播時所用的時間。
根據公式（1）和（2），可求得流體流速ν和順逆流時間差：
計算公式
由於超聲波在液體中的傳播速度受溫度等因素的影響，所以在實際應用中儘量在計算公式中將聲速這個變量排除。根據公式（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係數K:
計算公式
根據流體力學，當雷諾數Re在某一範圍內時，K為定值，其大小在標定過程中確定。
再根據管道的尺寸參數來求出管道橫截面積S,進而求得流體的瞬時流量Q:
計算公式
2MCU與計時芯片
為保證超聲波在流體介質中的精確測量，簡化硬件外圍電路的設計，提高系統設計的集成度，降低開發難度，選擇了德國ACAM公司生產的高精度計時芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片使用粗值計數器與高速計時相結合的方式進行高精度計時，粗值計數器採用脈衝計數法通過記錄基準時鐘脈衝數從而計算出時間間隔；高速計時單元通過內部邏輯門的延遲來進行時間間隔的高精度測量，測量精度主要取決於信號通過芯片內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。
該系統採用TDC-GP22芯片的測量方式2,該方式下的測量範圍為500ns~4ms,計時單元由start信號觸發，stop信號結束，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衝個數n,測量範圍可達到26位。
測量時間的原理圖
圖2TDC-GP22芯片測量時間的原理圖
TDC-GP22芯片的ALU計算時間間隔的計算公式為：
計算公式
式中：Tref為基準時鐘的週期；T為測量時間；cal2、cal1為校準時鐘週期。
雖然TDC-GP22計時芯片的集成度很高，但是TDC-GP22芯片內部缺少中央處理器CPU,因此需要外部連接一個單片機對芯片內部的運算單元ALU、數字轉換單元TDC等模塊進行控制，整個電路系統採用選用意法半導體（ST）公司生產的STM32F103RCT6作為主控芯片，STM32F103RCT6是基於Cortex-M3內核的32位嵌入式-微控制器，具有256kB的程序存儲器，48kB的片上RAM,主頻為72MHz,具有豐富的片上外設，而且芯片TDC-GP22內部還集成有4線的SPI接口，可以直接與單片機連接進行數據通訊，實現對超聲波信號傳播時間的測量和流量的計算。
3硬件電路設計
3.1計時芯片外圍電路
TDC-GP22的外圍電路圖如圖3所示，整個外圍系統中，需要用到兩個晶振來保證其正常工作，一個是如圖中的Y2（4MHz）所示的高速校準時鐘單元，另一個是32.768kHz的基準時鐘，用於時鐘校準和控制高速時鐘的起振。
3.2數字隔離
在工業現場的數據採集中，由於現場情況十分複雜，各個節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，嚴重時甚至會燒燬芯片和儀器設備。因此，在強幹擾環境中，或是高的性能要求下，就必須對SPI總線各個通信節點實行電氣隔離。傳統的SPI總線隔離方法是光耦合器技術，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ADuM數字隔離器中的ADuM1411是一種四通道數字隔離芯片，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。
外圍電路圖
圖3TDC-GP22的外圍電路圖
3.3超聲波發射信號放大電路
TDC-GP22芯片內的脈衝發生器能夠產生的激勵方波的幅值為3.3V,超聲波換能器不能被充分地激發，並且發射的超聲波信號在飛行過程中，由於管道以及液體流動等因素的影響，信號會在介質中出現衰減現象，使信號變得微弱，並且會帶有介質內部的噪聲以及電子電路噪聲等，使得芯片內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精確計算，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24V的電源得到正負10V的電源。LM358N具有低功耗底、高增益、工作電壓範圍寬可以在低至3.0V或高達32V的電源電壓下工作、靜態電流小等特點，適合於電源電壓範圍很寬的單電源使用，也適用於雙電源工作模式。然後，通過MOSFET驅動器芯片TC4427和TC4426,將TDC-GP22和所產生的頻率為1MHz電壓為0~3.3V的信號，轉換為頻率為1MHz電壓為0~10V的信號和頻率為1MHz電壓為-10~0的信號。TC4427和TC4426具有輸出電流高、輸入電源電壓工作範圍寬、驅動能力強、響應時間快、抗干擾能力強等特點。TDC-GP22所產生的信號經過放大以後，最終所施加到超聲波換能器兩端的信號為頻率為1MHz電壓為0~20V的激勵信號，如圖5所示，經測試此信號能夠滿足此係統中所使用的換能器對激勵信號功率的要求。
4測試分析
經試驗測試，不同流速下流量計的誤差統計見表1,由表1可以看出，當流體（水）的流速在300~3000L/h時，超聲波流量計的相對誤差小，達到了設計要求，重複性誤差相對較小，且精度基本保證在±0.5%範圍內。
超聲波信號放大電路
圖4超聲波信號放大電路
表1不同流速下流量計的誤差
超聲波放大激勵信號
圖5超聲波放大激勵信號
5結論
試驗通過研究改進時差法原理、發射信號放大電路及抗干擾等問題，針對現有流量計電路複雜，不適用於強酸強鹼的特殊環境及多電機運轉的特殊場合，使用高精度數字計時芯片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，設計了數字隔離電路，最終提出了一種基於STM32單片機和TDC-GP22高精度時間測量芯片的流量計系統設計，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測問題，增加了企業效益。
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