基于TDC－GP22的超声波流量计设计

从20世纪10年代至今，由于IC技术的不断发展，超声波流量计也因其具有的非接触测量、适用于大口径圆形及矩形管道、内部无任何阻流器件等特点，成为当今发展最迅速的一类流量计之一。对于以时差法来实现流量测量的超声波流量计，其测量精度的关键在于准确的测量超声波在液体中的顺流和逆流的传播时间。在当今计时芯片测量达到ps级别的基础上，如果能够消除温度和管道对声速和流体造成的非线性误差，并且通过信号筛选准确判断超声波信号到达时刻，那么超声波流量计的精度将得到进一步的提升。因此本文在上述三个方面的改进，提出了基于TDC－GP22的超声波流量计的设计。

1 超声波流量计流量测量方案

在管道上安装超声波换能器的方式主要有三种：夹装型、插入型和管段型。对于管段型也有多种方式，常见的有Z式安装管段和立柱式管段。其中Z式管段主要适用于50mm口径以上的管道；立柱式管段主要适用于50mm口径以下的管道。由于本次设计主要针对小口径超声波流量计，因此主要采用后一种立柱式管段，超声波换能器安装在管段同侧，测量时交替发送超声波信号，如图1所示。

图1 立柱式管道示意图

图1中，L为两个换能器中心距的直线距离，D为管道内径，那么超声波传播距离S＝L＋D。假设超声波在管内流体中的声速为c，管道内流体流速为v，τ为超声波在传播过程中各种误差的总和，那么超声波顺流传播时间t1为：

    （1）

同理，超声波逆流传播时间t₂为：

    （2）

由于温度对超声波在液体中的传播速度有很大影响，所以应尽量在超声波流量计算公式中将超声波速度这个变量排除。

将式（1）变换得：

    （3）

将式（2）变换得：

    （4）

由（3）和（4）联立可得：

    （5）

最终可得流体流速为：

    （6）

该公式保证了温度的波动不会造成测量精度的损失，也因此使流速v出现一定的非线性，但是这个非线性可在标定时由仪表系数修正。由式（6）可以看出，决定流速测量精度的关键是顺逆流超声波传播时间是否精确。测量传播时间有两种方法：一种是脉冲计数法，利用锁相环原理，通过外部电路实现；另外一种是高精度计时芯片的直接使用。考虑到对高精度和低功耗的要求，决定采用直接利用高精度计时芯片的方案。

2 新一代高精度计时芯片TDC－GP22

TDC－GP22为TDC－GP21的下一代升级产品。其最主要的改进在于新增了第一波检测功能，这一改进将使TDC－GP22更加适合于高动态范围的超声波水表的应用。测量第一个回波脉冲的相对宽度将会给用户一个对于接收信号强度的提示，通过这个提示信息可以用于系统的长期覆盖物的信号减弱判断，以及用于气泡检测。

TDC－GP22具有两种测量模式，其最重要的不同在于测量时间的范围不同。对于超声波流量计来说，测量范围2更适用于超声波流量测量，主要技术参数为：测量范围500ns到4ms；单通道典型分辨率为90ps，四精度模式最高分辨率可达22ps等。

根据之前公式可知，如使用立柱式管段，假设已知L＝80mm，D＝40mm，液体中静态声速c＝1500m/s，流体流速v＝0.2m/s时，可知顺逆流传播时间差△t≈18.67ns，根据TDC－GP22典型分辨率90ps计算，所得测量误差小于0.5%。

3 超声波流量计硬件设计

硬件设计以低功耗单片机STM8L152C6为核心，它是一款8位低功耗单片机，该单片机拥有丰富的接口，方便控制TDC－GP22以及与其他通讯模块通信，而无需额外的硬件电路。这样做不仅减小了硬件设计难度，同时也提高了整个系统的稳定性。

时间测量模块采用德国ACAM公司的通用时间间隔测量芯TDC－GP22。超声波换能器则采用了中心频率为1MHz的换能器用作流速测量。硬件框图如图2所示。

图2 超声波流量计硬件框图

STM8L单片机控制TDC－GP22片内的脉冲发生器发出脉冲信号，经过片内时间窗延迟后产生出启动信号，在回波信号处理电路中产生停止信号，最后通过TDC内部AUL计算出启动信号与停止信号之间的时间间隔，并最终确定管道中液体顺流传播时间和逆流传播时间，进而计算出管道中流体的流量。

4 超声波信号质量判断

在实际流量测量时，管道内通常含有扰流或气泡等干扰，如果这些干扰被当作正常信号来处理，则会对测量产生巨大的误差，因此为了消除这个误差，应该在TDC测量时间间隔之前对采集到的超声波信号的质量作出判断，并筛选出正常的信号。

利用TDC－GP22的第一波检测功能，可以测量得到第一个波的脉冲宽度和标准脉冲宽度的比值，这个比值让用户监控测量信号的质量，必要时可以根据这个脉冲宽度比率来调整所需测量的脉冲，第一波检测功能是超声波信号质量判断的基础，其原理如图3所示。

图3 第一波模式

在第一波检测模式时，半波周期的第一个真实时间（hwp）也进行了测量和记录，将会作为与第一波脉冲宽度比较的参考。在图3中，第一波脉宽是第2个买冲的宽度，标准脉宽是第5个脉冲的宽度，而比率一般来说是在0～1范围之内的数据。这个比值的大小，直接反映了接收信号的强弱。通过对这些信息的分析可以用于监测流体的特性。

信号强度的下降可能是经过很长时间在管段或者换能器上有太多的沉淀物造成的，也可能是扰流或气体气泡引起的。因此在这个情况下可以发送一个报警信号给单片机和主控制端。一旦管段为空管的情况，那么将会保持在检测第一个波所设置的值。这种处理方式的优点是，噪声不触发TDC，则TDC由于超时将会给出一个溢出中断。换句话说：TDC测量溢出中断是判断空管段的一个非常重要的条件。

5 超声波流量非线性处理

由超声波测速法测得的为线速度，转换为流量计算面速度后，这个面速度与实际面速度还不一样，需要乘上一个系数K，由于不同流速阶段对应的流体状态不一样，分为层流、过度状态和湍流，不同状态下的K系数也不一样，相同状态下的K系数也会不一样，为简化计算，可看成是线性变化（即一次函数），所以需要对K系数进行计算，3K法有3个K系数，分别对应小流量系数、中流量系数和大流量系数，如图4所示，根据测得的流量值在不同的流量段，选择对应的K值。

图4 信号的非线性处理

6 标定结果与结论

由于改进了超声波流量测量原理，消除了温度对于声速的显著影响，降低了计算的复杂度和结果的不确定性。在实际测试中，不论是对管到家热还是降温，都不会影响最终的测量精度和重复性。对于TDC－GP22第一波检测功能的充分利用，不仅使空管检测更加方便可靠，更可以筛选出正真的测量信号，避免绕流和气泡的干扰，使测量的精度大大提高。最后，经过3K法标定后的流量计，不论在小流量、中流量还是大流量时，都拥有较好的精度和稳定性。表1所示最终该超声波流量计经测试流量误差低于1.5%，并且各个流量测试点的重复性均低于0.6%。

表1 超声波流量计流量标定数据