基于TDC-GP22的超声波流量计设计.pdf

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1、万方数据166基于TD色一GP22的超声波流量计设计基于TDC—GP22的超声波流量计设计DesignofUltrasonicFlowmeterBasedonTDC——GP22刘宇杰李斌刘振凯(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)聂志刚丁旭冰赵子峰(浙江迪元仪表有限公司，浙江义乌320018)摘要为了进一步提高超声波流量计的精度和稳定性，在时差法测量原理的基础上，推导了新的测量公式，该公式可以消除由温度引起的流速非线性误差。此外，利用TDC—GP22最新的第一波检测功能，可以判断超声波信号质量，排除

2、由于扰流或气泡造成的测量误差。最后，对于由管道造成的非线性误差需要在出厂时用3K系数法进行标定。通过以上改进研制的新型流量计，实验结果证明其获得了良好的测量结果。关键词：超声波流量计，流量测量，信号处理，TDC—GP22AbstractInordertofurtherimprovetheprecisionandstabilityoftheultrasonicflowmeter，basedontheprincipleofmeasuringthetime—differencemethod，thenewmeasure

3、mentformulaisdeduced。theformulacaneliminatethenon—linearerrorcausedbytemperaturevelocity．Inaddition．theuseofTDC-GP22latestfirstwavedetectionfunction．canjudgetheultrasonicsignalquality，eliminatetheerrorofmeasurementcausedbyturbulenceorbubble．Finally，forthenon

4、-linearerrorcausedbypipeneedtobeinthedealwith3k—coefficientmethodforcalibration．Keywords：Ultrasonicflowmeter，flowmeasurement，signalprocessing，TDC—GP22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，

5、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

6、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。接鼍墨A一接蕾0B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，，r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t，为；f．：—L打C-I-V同理，超声波逆流传播时间tz为：f，=』'_竹(2)2C—V、’

7、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：士：一C+V(3)r．叶S‘’将式(2)变换得：—7_：旦兰(4)f2-下S一由(3)和(4)联立可得：J『_一—L：垒二生ff_下乞呵(tt-下)(乞1)=再t崭而=旦坐S一旦兰S=丝S(5)(，-f)(乞_下)⋯最终可得流体流速为：归旦．百j‰(6)2’(t，--'r)(f，-T)⋯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

8、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—GP22TDC—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