超声波流量计新技术

超声波流量计新技术——线性时间放大法李长奇，马 晶（中环天仪股份有限公司，天津300384）摘要：时差法超声波流量计具有非接触测量、无压损、可测不导电介质等优点，因此被广泛应用于各种工业现场。

但由于受到计时器分辨力的影响，测量精度相对较低。

而高精度的超声波流量计电路设计困难，而且功耗大，成本高。

为此，本文阐述了一种利用线性时间放大法提高超声波流量计时间分辨力的基本原理和电路实现，这种方法可以大大降低电路对于计时器分辨力的要求，而且具有低成本、低功耗、测量精确等特点，可以用来以开发高精度的商用超声波流量计。

关键字：工业自动化仪表与系统；超声波流量计；线性时间放大；分辨力New Technology of Ultrasonic Flowmeter—Linearity TimeAmplifying MethodLI Changqi, MA Jing(Zhonghuan TIG CO, LTD, TianJin 300384, China)Abstract: The time-difference-type sonic flowmeter is used in a lot of industry locale widely, owing to it can measure flow untouch,and have no press lose,and can measure unelectric medium.But its precision is lower correspondingly,due to the resolving power of calculagraph.And the sonic flowmeter circuit having high precision design difficulty, furthermore it has a big power expending and high cost.So we expatiate a linear time amplifying method and its circuit design to improve the time resolving power of sonic flowmeter.This method can play down the request of the calculagraph resolving power. Furthermore it has a low cost,a low power expending ,and a high precision.It can be used to empolder high precision sonic flowmeter for business.Keywords: industrial automation instrument and system, sonic flowmeter, linear time amplifying, resolving power1 引言时差法超声波流量计是以“速度差法”为原理，通过测量正程和逆程超声波传播的时间差来计量圆管道内流体流量的仪表。

在这类仪表中，测量时间的分辨力是流量计的一项重要指标。

因为精度一般不会优于分辨力，所以提供分辨力才有可能提供整机精度。

作者简介：李长奇，男，学士，助理工程师，从事工业自动化仪表的研究工作。

目前可供计量用的超声波流量计都采用了时差法。

这种流量计进入市场的历史并不长，究其主要原因在于超声波自身的分辨力太低[1]。

这不仅限制了整机精度，而且限制了下限量程的降低，特别是对于声程更短的小口径流量计，受分辨力限制，更难以实现。

总之，提供超声波流量计的分辨力是这类仪表的必备技术之一。

利用高性能单片机软硬件技术，设计一种“时间放大电路”，可以提高超声波的分辨力。

这一硬、软件结合的技术，已经在超声波流量计中得到实用。

2 影响超声波流量计分辨力的主要因素以对射式双探头超声波流量计为例，时间T 为声程L 与声速V 之比：T =L /V 。

在圆形管道中，声程与管道直径D 和探头中心联线与管道中心线的空间安装夹角θ有关：L =D /sin θ。

而管道中的超声波声速V 则是静态声速c 和流体v 的矢量和： V =c +vcos θ。

于是可导出在两超声探头之间L 上的正程测量时间T 1和逆程测量时间T 2:θθcos sin /1v c D T += θθcos sin /2v c D T −= 联立两式，略去微小项，于是逆、正程的时差为：v K v c Dctg T T ⋅=⋅=−2122θ 其中K 为常数。

可见管道内的流体流速v 与时差近于正比关系。

而且只有提高时差的分辨力，才可能提高流速v 的精度。

假定管道内流体的流速v =0.5m/s ，声速为c =1450m/s ，探头对射角度θ=45°，管道直径为D =0.15m ，可通过公式计算得△T =71ns ，如果要求0.5%的分辨力，则时间的最小分辨率需要达到d =0.356ns 。

这样的时间分辨力，如果用计时器直接计时，时钟频率需要达到3000M ，这样的电路设计是很困难的。

3 提高时间分辨力的几种方法3.1 提高时基法提高处理器计时脉冲的频率是提高分辨力的可选方法之一，例如提高整个系统的晶振频率。

处理器晶振频率的高低直接影响着计时器的计时分辨力。

这种方法简单实用，但是受到器件最高工作频率的限制，分辨力的提高是有一定限度的。

过去工业仪表通常选用8位单片机作处理器，其工作频率较低，一般在12MHz 以下，对超声波分辨力的提高有限[1]。

近年来，16位乃至32位单片机的出现，极大的提高了器件最高工作频率，选用高速处理器可以提高仪表的分辨力。

超声波流量计，特别是水超声流量计对时间分辨力有很高的要求，一般都要求能够分辨到ns 级，也就要求处理器时基在1000MHz 以上。

像这样的处理器很少见，价格昂贵，电路设计复杂。

所以很难单纯依靠提高时基信号频率的方法来彻底解决仪表的分辨力问题。

3.2 游标法游标法测时原理与游标卡尺测距原理类似。

两个计数器分别以频率f 1和频率f 2进行计数，频率f 1为时间的粗测（相当于游标卡尺的主尺），频率f 2为时间的细测（相当于游标卡尺的游标）。

频率f 1和频率f 2的差别要求要很小，其关系为：2111)12(2f f n n +=−−式中，n 为游标计数器的位数。

当计时开始时，主计数器对频率f 1进行计数，当计时停止时，游标计数器对频率f 2进行计数，同时由一个相位比较器对频率f 1和频率f 2进行比较，一旦两个频率信号的相位相同，立即停止计数，存下主计数器的数值n 1和游标计数器的数值n 2，那么，计时为：2211f n f n t −= 3.3 专用时间芯片法近年来，超声波流量计广泛采用集成电路时间芯片TDC-GP2[1]进行测量计时。

TDC-GP2是一种专用于超声波流量计或超声波热量表的计时芯片，它可以提供双通道或单通道典型分辨力50ps 的时间测量，有很多超声波流量计采用了此芯片进行时间测量。

4 时间放大法时间放大法一般是指双积分时间放大法，此方法的原理波形见于图1。

设图1中发射信号与接收信号之间所对应的微小时间为t 1，它被放大100倍得到t 2。

则若t 1对应计时器计数为n ，而用相同的计数器在t 2期间对超声脉冲计数，计数值将在100n ～（100n +99）之间。

可见这种检测方法增加了两位有效数字。

在这种电路中，第一次积分是在图1的t 1期间，以恒定积分常数τ进行正向积分；积分结束后，立即以100τ的积分常数反向积分到0V 时刻为止，则反向积分时间t 2=100t 1。

这就实现了时间的比例放大，在相同的计时频率下，实现了时间采样分辨力的提高。

一般情况，这种双积分时间放大法，会利用电容器作为储能元件，在t 1时间内，控制充电开关通过一个小电阻对电容充电，t 1到达时，停止充电，电容电压达到最高，然后断开充电开关，控制放电开关通过一个大电阻缓慢放电直到0V ，即为时间t 2，实现了时间放大。

为使对应不同的充电时间均以相同的比例被放大，则电容器必须要保持线性或近似线性充放电。

然而，RC 电路的充放电规律为指数变化，只有在以恒定电流充放电[2]的情况下，才可以近似按照线性充放电处理。

注意到图2展示了一种通过恒流源控制电容线性充放电，从而实现线性时间放大的电路。

图1 双积分时间放大法波形原理图图2中，输入脉冲控制电子开关U1的导通截止。

电阻R2和电容C1以及运算放大器NV1，组成了一个充电的恒流源，电阻R1与电容C1以及运算放大器NV1，组成了一个放电恒流源。

当信号V i 输入高电平时，电子开关导通，充电恒流源以恒定的电流对电容C1进行充电，同时放电恒流源对电容C1进行放电；当信号V i 输入低电平时，电子开关开路，充电恒流源不再充电，放电恒流源仍对电容C1进行放电。

那么假如充电时间为t 1，那么放电时间为121t R R t ⋅=。

由于在充电时，放电恒流源也在工作，实际充放电的比例关系为1212)1(t R R t ⋅−=。

这个信号在比较器NV2的作用下，能够翻转出相应时间放大倍数的方波，实现了时间的线性放大。

图2 双积分时间放大电路图5 结束语本文通过与几种提高时间分辨力方法的对比，可以发现双积分时间放大法，成本低，功耗小，电路简单易行，稳定性好，是一种行之有效的提高超声波流量计分辨力的方法。

它可以避免采用高频器件带来的一系列成本及电路上的困难。

参考文献[1] 贾华，王双存，李长奇，等．基于单片机提高超声波分辨力的方法研究[J]．单片机开发与应用，2009，25(5-2)：105-107．[2] 韩绍坤，赵跃进，刘巽亮，等．时间比例放大法在脉冲激光测距中的应用[J]．火控雷达技术，2004，33：5-8．。