摘 要: 利用超声波时差法测量小口径管道中的流体流速时, 传播时间差很小, 不易测量. 针对这一难点, 借鉴/ 游标卡尺0 的测量思路, 介绍了时间比例放大技术, 提出了实用的微小时间差测量方法, 对时间差先放大, 后测量, 且放大比例可以通过反馈自动调节. 该方法具有结构简单, 分辨率高等优点.
关键词: 超声波流量计; 时差法; 游标卡尺原理; 时间比例放大
超声波流量计可以实现对流体非接触式的测量, 速度快, 精度高, 尤其适用于大口径管道的流体测量. 自从20 世纪90 年代在对天然气的测量上取得成功后, 引起了人们的重视, 其中荷兰的Instromet公司、英国的DaNIel 公司和美国的Cont rolot ro n公司做了大量的研发工作, 占有很大市场份额[ 1] . 然而, 国内只有少数几个厂家引进技术进行生产. 它的基本原理是利用超声波确定流体的流速, 常见的测量方法有时差法、相位差法、频差法、多普勒法、互相关法、波束偏移法和旋涡法等等[ 2] . 本文根据/ 游标卡尺0的测量思路, 提出了一种基于时间比例放大原理的时差测量新方法.
如图1 所示, 在时差法测流速中, J、K 是超声波换能器, 交替接收与发射超声波. 流体流速v 与超声波在顺流、逆流中传播时间差S之间的关系是
其中, c 是超声波在静止流体中的传播速度, A是超声波入射角度, D 是管道直径. 只要测出时间差S, 就可以得到被测流体的流速[ 3] .
时间差随管道直径的减小而减小. 例如在直径是50 mm 的水流管道中, 流量范围在0. 25 m³ / h 与24 m³ / h 之间, 超声波以45b入射, 时间差的取值范围是1. 527 ns 至150. 9 ns. 若对于纳秒级别的时间差进行直接测量, 则计时器的工作频率至少要在1 GHz以上, 一般很少采用. Brian K . Sw ann等人设计出专用IC 芯片来实现TDC ( T ime to Dig italCo nv erter) , 将微小时间差转化成模拟电压信号, 然后进行A/ D 采样, 可以完成对100 ps 的微小时间差测量, 测量范围在80 ns 至256 ns 间可调[ 4] . Jo zefKal isz 等人用FPGA 设计了方波脉冲压缩电路, 对时间差的测量精度达到100 ps[ 6] . Jozef Kalisz 还用延迟线比较的方法同样实现了对微小时间差的测量[ 5] . 还有人提出用T DC 结合DLL ( delay-lockedloop)延迟线来测量小时间差的方法[ 7] . 本文介绍的时间比例放大测量方法, 相比以上方法, 不仅成本低, 易于实现, 而且精度同样达到测量要求.
1 时间比例放大原理
游标卡尺的测量原理是利用主尺与游标尺之间的单位刻度存在微小差别, 通过查找对齐刻度的位置来测量主尺与游标尺零刻度之间的距离. / 时间游标卡尺0的原理如图2 所示, 待测量是信号FS 与JS之间的时间差S, FS、J S 分别触发频率相近的周期性脉冲信号B 和A. 信号A 表示成
2 实用的时间比例放大
实际测量时, 通过调节两列脉冲序列信号的周期T A 与T B 来调节时间比例放大系数K , 采用计时器测得t1 , 代入式( 16) 计算得到时间差S, 再通过式( 1) 进一步计算得到流体流速v .
3 实现方案
如图4 所示, MCU 控制两个超声波换能器J、K, 首先发射超声波, 然后转入接收状态. 周期可调信号A、B 由两路DDS( 直接数字频率合成器) 产生,两路DDS 分别由超声波接收信号JS 与FS 来触发,如此使得JS 与FS 之间的时间差S 成为待测变量.时间放大比例K 通过调节DDS 输出信号的周期来改变. 通过模拟乘法器求得A 、B 的乘积信号, 做A/ D采样后, 由MCU 搜索峰值时间t1 , 并计算得到流体流速.
具体实现时, 采用ADI 公司的DDS 芯片AD9834 产生信号A 和B, 此芯片通过SPI 与MCU通讯, 来设置输出波形和输出频率. 在输出1 MHz左右的三角形波时, 分辨率可以达到0. 004 Hz[ 8] .设置A 的频率是( 1 M + 4) Hz, 设置B 的频率是1 MH z, 则放大系数是K = 250 001, 采用100 kHz进行A/ D 采样, 分辨率达到0. 04 ns. 经过时间比例放大, 时间差1. 527 ns 变为381 751. 527 ns, 时间差150. 9 ns 变为37 725 150. 9 ns, 放大后的时间差范围在0. 3 ms 与40 ms 之间, 所以测量周期可以控制在100 ms 以内, 保证了实时性.
4 结 论
超声波时差法测流体流速的关键是对微小时间差的测量, 直接测量成本高, 且难于实现, 往往采用间接方法进行测量. 基于/ 游标卡尺0 原理的时间比例放大技术, 将待测时间按比例放大, 再进行计时,以延长测量时间的代价, 来提高测量分辨率. 然而,MCU 可以根据当前测量时间差的大小, 调节时间放大比例系数, 形成反馈, 在保证精度的前提下, 缩短测量周期, 改善实时性, 使整个测量系统达到又快又准的标准.
参考文献:
[ 1] 廖志敏, 熊珊. 超声波流量计的研究和应用[ J ] . 管道技术与设备, 2004, 4: 12-19.
[ 2] 姜万录, 孙红梅, 高明. 基于超声检测的动态流量测试技术研究[ J ] . 液压与机床, 2004, 10: 227-229.
[ 3] 李夏青, 左丽. 超声波流量计换能器的入射角及振荡频率对测量精度的影响[ J] . 仪表技术与传感器, 2000, 4: 28-38.
[ 4] Brian K. Swann, Ben jamin J. Blalock, Ll oyd G. Clont s, DavidM. Binkley, James M. Roch ell e, Er ic Breeding, K. M-ichell e Baldw in. A 100- ps T ime-Res olut ion CMOS Tim e- t o-Digit al Con vert er for Posi tr on Emiss ion T om ograph y Imagin gApplicat ions[ J] . IE EE J ou rnal of S olid-S t at e Circuit s, 2004,39( 11) : 1893-1852.
[ 5] Jozef Kal isz, Ryszard Szpl et , Jerzy Pasierbins ki, Andrzej Poniecki.Field-Programmable-Gat e-Ar ray- Bas ed T ime-t o-Digit alConvert er with 200-ps Resolut ion [ J] . IE EE T ransact ions onInst rum ent ati on and M easuremen t, 1997, 46( 1) : 51-55.
[ 6] Rys zard Szpl et , Jozef Kalis z, Raf al S zymanow ski. Int erpolating T ime Coun t er w ith 100 ps Resoluti on on a Singl e FPGADevice[ J] . IEEE T ransact ions on Ins t rumen tat ion and Measurement , 2000, 49( 4) : 879- 883.
[ 7] Baront i F, Fan ucci L, Lunardini D, Ron cel la R, S al et t i R. Onthe Dif f erent ial Nonlinear ity of Time-t o-Digit al Convert ersBas ed on Delay-Lock ed- Loop Del ay Lin es [ J] . IEE E T rans action s on Nuclear Science, 2001, 48( 6) : 2424-2432.
[ 8] 20mW Pow er, 2. 3 V t o 5. 5 V, 50 MH z Compl et e DDSAD9834. Analogy Device In c, 2003.
