时差法超声波流量计中时间间隔测量及误差分析

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1、第25卷第4期,2012年10月宁波大学学报（理工版）首届中国高校优秀科技期刊奖Vol.25No.4,Oct.2012JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)浙江省优秀科技期刊一等奖时差法超声波流量计中时间间隔测量及误差分析11*22杨亚,王让定,姚灵,左富强（1.宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;2.宁波水表股份有限公司,浙江宁波315041）摘要:在时差法超声波流量计计量原理的基础上,分析了影响时差法超声波计量准确度的主要原因,通过采用基于延迟线内插法的专用测时芯片TDC-GP21实现高分辨率时间间隔的测量,并对影响时间间隔

2、测量准确度的因素进行了充分分析,提出了相应的解决方法.最后,设计了时间间隔测量系统,利用该系统进行了实验,结果表明:系统达到了ps级的时间间隔测量标准差,流量计的测量误差可保证在0.5%以内.关键词:超声波流量计;时间间隔测量;误差分析中图分类号:TH814文献标识码:A文章编号:1001-5132（2012）04-0000-05时差法超声波流量计以其工作原理简单、实时笔者采用基于脉冲计数法和延迟线法结合起测量、对管径的适应性强、非接触流体、易于数字来的高精度时间间隔测量方法,即延迟线内插法.[11]化管理等优点,越来越广泛地应用于水、石油等液德国ACAM公司的T

3、DC-GP21(以下简称GP21)[1]体计量领域.其计量精度主要依赖于换能器的安是基于延迟线内插法的专用测时芯片,因此,笔者装精度、收发换能器的性能、流体状态和超声波飞以该芯片为核心设计时间间隔测量系统,对影响行的时间间隔测量精度等,其中时间间隔的测量其测量准确度的因素进行了详细的分析,并提出[2-3]精度对计量精度起决定作用.目前,时间间隔了解决方法.最后通过实验证明,设计的时间间隔测量方法主要有脉冲计数法、模拟法、游标法、延测量系统具有测量准度高的优点.[4-5]迟线法.脉冲计数法具有测量范围大、线性好等1时差超声波流量计测量原理优点,是时间间隔最简单、最有效

4、的方法,但是测[6]时分辨率较低.模拟法理论上可以实现高精度的时差法超声流量计工作原理如图1所示,它是测量,但测量过程耗时较长,且易受系统噪声、温根据介质流速与超声波在介质中顺、逆传播时产生[7]度和非线性影响.游标法可以实现很高的分辨率,的时间差存在一定的线性关系原理进行测量的,但该方法获得2个高稳定度的时钟相当困难;Yu等只要准确测量顺逆流时间差,再根据流速与其线[8]人基于游标法下设计了一款时间数字转换器,测性关系求出流速,进而可以求出瞬时流量以及累时分辨率可达到8ps.延迟线法是利用延时单元来积流量.[9]实现时间间隔测量.Jansson等人基于0.35μm

5、COMS工艺在FPGA内部构建了抽头延迟线,实现[10]13ps的测量精度.Shimizu等人采用差分延迟线法实现了10ps的分辨率.根据应用场合的不同,这些时间测量方法通常都不会单独使用,而是2种或者2种以上的方法结合使用.图1时差法超流量计原理收稿日期:2012−05−31.宁波大学学报（理工版）网址:http://3xb.nbu.edu.cn基金项目:浙江省优先主题重点工业项目（2010C11025）;浙江省教育厅重大科技攻关项目（ZD2009012）;宁波市重大科技攻关项目（2009B10003）;浙江省新苗人才计划（2011R405056）.第一作者:杨亚

6、（1986－）,女,贵州遵义人,在读硕士研究生,主要研究方向:嵌入式系统.E-mail:picture.cool@163.com*通讯作者:王让定（1962－）,男,甘肃天水人,博导/教授,主要研究方向:嵌入式系统的开发与应用.E-mail:wangrangding@nbu.edu.cn2宁波大学学报（理工版）2012-1图1中,SS,分别为2个超声波换能器,V为声波换能器安装角度为55°,C1480m·s,12液体流速,D为管道直径,L为超声波的声程,代入(4)式可得:-1为超声波进入液体的入射角.t为换能器S发射、当V0.2m·s时,T16.120

7、4ns;11-1S接收时,超声波在管道中传播时间,即顺流时当V4.4m·s时,T403.0731ns.2间;t为换能器S发射、S接收时,超声波在管道根据间接测量的误差理论,若间接物理量y221中传播时间,即逆流时间.fxx(,,,x),其中,xx,,,x为直接测量的物12n12n超声流量计顺流时间t和逆流时间t分别用理量,则物理量y的绝对误差为:12y下式计算,即:222y2y2y2Lyxxx,(7)t,(1)x1x2xn112nCVsinL式中,表示相应物理量{,xx,,