基于TDC-GP2的时差式超声流量计的设计

　　0　引　言

　　流量计量是计量科学技术的重要组成部分[1]，流量测量技术广泛应用于水利、化工、农业、石油、冶金以及人民生活各个领域。

　　现行的流量计主要有[2]：容积式流量计、质量流量计、电磁流量计、涡轮流量计和超声流量计等。其中，对于腐蚀性、高温、高压流体流量测量时，将超声波传感器安装在管道外侧，可以实现非接触测量，同时对流体流动不产生干扰，设计和安装方便，测量精度较高，管径测量范围宽，因而得到广泛的应用。

　　1　时差式超声波流量计简介

　　1.1测量原理

　　自20世纪20年代初至今超声流量计的发展已有80多年的历史，超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的[3]。它通过超声波换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收换能器接收后转换为代表流量并易于检测的电信号，实现流量的检测和显示。超声波流量计根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法及空间滤波法等不同类型[4]，其中传播速度差法又分为时差法、相位差法、频差法。随着现代电子技术的发展，集成芯片的集成度和处理速度得到很大程度上的提高，从而使得时差法的优势得到发挥。时差式流量测量原理图如图1所示。

　　图1中，左侧圆形管道里水流流速为v，管道直径为D，超声波在水中的传播速度为C，超声波传播方向与管道夹角为θ。于是，超声波顺流发射和逆流发射时的传播时间分别为：

　　流体为层流分布时，K取值为4/3，流体为紊流分布时，根据雷诺数Re不同，分别取不同的值。

　　1.2时差法测量的关键问题

　　时差法测量流量的原理即通过测量获得顺逆流时间差。首先要合理准确地确定发射和接收时刻，然后将信号发收时间差精确地测量出来，这是实现系统高精度测量的关键。由于超声波的速度很快(在水中约为1500m/s)，两个换能器之间的距离很短，对于小管径仅有几个毫米到十多个厘米长，所以，超声信号所需传播时间极短。为保证系统达到测量精度为±1%，测量时间差的精度要达到纳秒级，在测量低流速流体时要求则更高，所以提高分辨率至关重要。对于时差式超声波流量计而言，计时模块的精度直接决定了测量系统的精度等级、重复性误差、测量下限、始动能量等性能[6]，通常要求计时模块分辨率要达到1ns，普通计时模块无法实现。为解决这个问题，本系统的设计使用了超高精度计时芯片TDC-GP2，其分辨率可达皮秒级别，为实现高精度流量测量奠定了基础。