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基于时差法和TDC_GP2的超声波流量测量方法

自动化与仪表

2011(8

)

基于时差法和TDC－GP2的超声波流量测量方法

文章编号：1001-9944(2011)08-0017-04

姚滨滨，张宏建，唐晓宇，周洪亮

（浙江大学工业控制技术国家重点实验室，杭州310027）

摘要：时差法超声波流量计是通过测量超声波在流体中的顺逆流传播时间差值而计算出流量值的，故传播时间差值的高精度测量是流量测量系统的关键。为了提高时间测量的精度，文中选用了TDC－GP2高精度时间测量芯片。该文详细介绍了基于TDC－GP2芯片的时差法超声波流量测量原理以及相应硬件测量电路的具体实现方法。经实验验证，用本方法测量流量其测量精度和分辨率均较高，有望推广应用。

关键词：时差法；TDC－GP2；超声波流量计；流量测量；MSP430F417中图分类号：TH81

文献标志码：B

Method of Ultrasonic Flow Rate Measure Based on Delta－T and TDC－GP2

YAO Bin-bin ，ZHANG Hong-jian ，TANG Xiao-yu ，ZHOU Hong-liang

（State Key Laboratory of Industrial Control Technology ，Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China ）

Abstract ：Delta－T method ultrasonic flow meter measures the flow rate through the measurement of the value of the Delta－T ，which wa s the ultrasonic flow meter transmission time difference of the downstream and upstream ，so the measurement of the transmission time wa s the key of the system．In order to improve the accuracy of time measure-ment ，TDC －GP2high precision time measurement chip wa s chosen in this paper．This paper introduces the flow measurement principle of Delta－T ultrasonic flow meter based on the TDC－GP2chip and the implementation of corre-sponding hardware measurement circuit．After the experiment ，this method has high measuring precision and resolution ratio and wa s promising to be applied．

Key words ：Delta－T method ；TDC－GP2；ultrasonic flow meter ；flow rate measure ；MSP430F417

收稿日期：2011－06－27；修订日期：2011－07－13

作者简介：姚滨滨（1987-），男，硕士研究生，研究方向为智能检测技术与传感器；张宏建（1961-），男，教授，博士生导师，研

究方向为多相流参数检测方法、智能检测技术、先进传感技术与信息处理方法；唐晓宇（1986-），女，博士研究生，研究方向为检测技术与自动化；周洪亮（1971-），男，副教授，研究方向为嵌入式与自动检测技术。

超声波流量计是一种非接触式流量计，其工作原理为超声波在流动的介质中传播时，便载上了流体的流速信息，因此，通过接收到的超声波就可检测出流体的流速，进而换算成流量。根据对信号检测的原理不同，目前超声波流量计大致可分为传播速度差法（包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法）、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。时差法可克服声速随流体温度变

化带来的误差，准确度较高，故被广泛采用。时差法测量原理为：由于受流体流速的影响，在同一传播路径上，超声波沿顺流方向的传播时间小于沿逆流方向的传播时间，通过测量该传播时间差值，再利用其与被测流体流速间的关系便可求得流速进而换算出流量。按照超声波换能器的安装方法不同，时差法又可分为：Z 法（透过法）、V 法（反射法）、X 法（交叉法）等。TDC 为时间数字转换器，可将时间间隔直接

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转化为高精度数字值。TDC－GP2芯片是通用TDC 系列新一代产品，它的超高测量精度和小尺寸封装特性使其非常适用于高精度时间测量，如超声波流量和热量测量以及激光测距、测速等方面。

1时差法超声波流量计的测量原理

图1为超声波流量计流量测量原理结构图，上

游换能器和下游换能器以Z 法的形式安装于测量管段中，安装角度为θ，上、下游换能器之间的传播路径长度为L ，测量管段的外径为D 2，内径为D 1，为了提高测量段流体的流速，在测量管段的结构设计上采用了缩径的方法。流速V 在传播路径L 上有一分速度V cos θ，由于该分速度的影响，当液体流动时，超声波在管道中的顺流传播时间小于逆流传播时间，通过测量该时间差即可换算得出流量值。

当设置上游换能器为发射状态，下游换能器为接收状态时，测得的顺流传播时间值记为T 1：

T 1=

L C +V cos θ

+τ=D 1/sin θC +V cos θ+τ

（1）

式中：C 为超声波在水中的传播速度；τ为超声波在换能器中的传播时间及电路延时的总和。

当设置下游换能器为发射状态，上游换能器为接收状态时，测得的逆流传播时间记为T 2：

T 2=

L C -V cos θ

+τ=D 1/sin θC -V cos θ+τ

（2）

由于在同一流速状态下，逆流传播时间大于顺流传播时间，所以顺逆流传播时间差ΔT 为

ΔT =T 2-T 1=2VD 1cos θsin θ（c 2-V 2cos 2θ）

（3）由于流速V 相对于超声波在流体中的传播速度C 来说是非常微小的，故式（3）可进一步简化为

ΔT =2VD 1（4）

由上式可得出流速与顺逆流时间差呈线性关

系，只要测出时间差就可以计算得出流速V 为

V =

ΔT tan θC 2

2D 1

（5）

根据流速即可求得流量。由上述测速测量公式可知，流量的测量关键是对于顺逆流传播时间差值

ΔT 的测量。而对于小管段的小流速测量来说，超声波在流体中的传播距离L 很小，导致其传播时间差值ΔT 也很小，通常为微秒级。一般的时间测量电路

很难保证这样的测量精度要求，因此本文选用了

TDC－GP2高精度时间测量芯片。

2TDC－GP2芯片的介绍

TDC－GP2是德国ACAM 公司推出的继TDC－GP1之后的新一代TDC 系列时间数字转换器，它有如下特性：（1）具有ps 级的测量精度，核心供电电压为1．8V～3．6V ，外围I /O 口供电电压为1．8V～5．5V ，完全可以使用电池供电，具有四线SPI 标准接口，可方便

地与微控制器进行数据交互，可以通过软件设置上升沿/下降沿单独触发或上升沿和下降沿同时触发，支持自动校准测量；（2）具有高速脉冲发生器，单次最多可以发射频率和相位都可调的15个脉冲，触发脉冲发生器提供两个输出结果，Fire1和Fire2。每个输出在5V 时的驱动能力是48mA ，这两个输出的驱动能力可以同时增加到96mA 。此外，每个输出信号可以被反向使信号的振幅加倍。（3）具有测量范围1和测量范围2两种测量模式。在测量范围2中，

TDC－GP2的典型分辨率可达50ps ，测量的时间范围500ns～4ms ，间隔脉冲对的分辨能力为两个校准时

钟周期，最多可以进行3次采样，而且具有精确的停

止信号使能窗口，每个单独的Stop 信号都有一个精度为10ns 的可调使能窗口，可提供准确的Stop 信号，这样可最大限度地屏蔽干扰信号，准确捕捉需要的停止信号的触发沿时刻。

TDC－GP2是以信号通过内部门电路的传播延

迟来进行时间间隔测量的，它可准确地记下信号通过门电路的个数。图2为测量范围2中TDC 单元高精度时间测量原理图。在测量范围2中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔，分辨率保持不变。在此模式下，TDC 的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从Start 或Stop 信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（fine－counts ）。在两次精密测量之间，TDC 记下基准时钟的周期数（coarse－

流速方向

下游换能器

上游换能器

D 1D 2

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count ）。在测量范围2中测量结果是精确测量值和粗略测量值的总和。因此在测量范围2中必须进行校准。在校准期间，TDC 分别测量一个和两个基准

时钟周期。

在测量范围2中，TDC－GP2的时间测量分辨率为50ps ，代入流速计算公式（5）可得出流量测量的分辨率为0．001m 3/h 。根据上述顺、逆流传播时间值计算式（1）和（2）可计算出顺、逆流传播时间值均约为20μs ，在TDC－GP2芯片的时间测量范围内。

流量计的硬件电路介绍

3．1

TDC－GP2外围连接电路

图3为TDC －GP2芯片的外围连接电路图，TDC－GP2芯片外接两个晶振，其中4MHz 高速晶振

用于时钟校准及在测量范围2中作为时间测量的一部分，32kHz 晶振用于内部定时［5］。TDC－GP2芯片的Start 引脚用于接收时间测量开始脉冲信号，Stop 引脚用于接收时间测量停止信号。本系统中选用测量范围2测量模式，在测量范围2中TDC－GP2芯片只需开通Stop1通道，Stop2与En＿Stop2引脚接地以关闭Stop2通道。Fire1与Fire2引脚用于发射超声波脉冲信号，分别用于激励上、下游换能器发射超声波信号。TDC－GP2的中断返回引脚INTN 、

SPI 总线引脚SSN 、SCK 、SI 、SO 和软件复位引脚分

别与微控制器的P1．0至P1．5引脚相连。微控制器选用MSP430F417单片机，MSP430F417单片机是

TI 公司出品的16位超低功耗MSP430单片机系统中一员，片内集成为16位精简指令结构（RISC ），具

有丰富的寻址方式，较高的处理速度，在8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns 。工作电流极小，CPU 处于工作模式LMP4时，电流可低至0．1μA ，它还将一些常用的外围模块如A /D 、看门狗（WDT ）、I /O 口、定时器、LCD 驱动电路等整合到片内，并具有超低功耗

的特点，因而特别适合电池供电的微型系统的设计。

3．2

流量测量控制电路

图4为超声波流量测量控制电路，本控制电路的功能在于控制TDC－GP2芯片测量顺流传播时间与逆流传播时间之间的状态切换以及对超声波的信号处理。具体实现过程如下：首先测量超声波顺流传播时间，单片机的P6．0引脚输出一高电平信号控制电子开关芯片U3使其处于开启状态，P6．1引脚输出一低电平信号控制电子开关芯片U4使其处于闭合状态，此时上游换能器处于发射状态，下游换能器处于接收状态，电路处于顺流传播时间测量状态。单片机控制TDC－GP2芯片只从Fire1脉冲输出端发出脉冲信号，该脉冲信号激励上游换能器发射出超声波信号，同时该脉冲信号通过异或门芯片U5后输出Start 脉冲信号，TDC－GP2接收到Start 脉冲信号后计时开始。由上游换能器发出的超声波信号在流体中传播后将被下游换能器接收到，由于接收到的超声波信号不能直接被TDC－GP2芯片所识别，所以需先对超声波信号进行处理。接收到的超声波信号经电子开关芯片U4后首先进行滤波处理，滤波处理主要用于去除一些低频噪声干扰的影响，提高时间测量精度。本系统中设置的超声波的

图2TDC 单元高精度时间测量原理图

Fig．2High precision time measure principle diagram of

TDC

Runtime

High-speed unit

Stop Start Ref.clock Finecount1

Finecount2

Cat2Cat1

Coarsecount

VCC

C 18

VCC VCC C 2

C 3

R 4

R 3VCC

567

Xin Xout Vin GND

Fire1Fire2

Fire_in

INTN

PT1PT2Vio GND PT3PT4LondT

SenseT

2423222120191817

Fire1Fire2P1.032

313029

259

16VCC

S t a r t

S t o p 1

E n _S t a r t

S t a r t

S t o p 1

V c c

G N D

S t o p 2

E n _S t o p 1

E n _S t o p 2S S N

S C K

S I

S O

R S T N

V c c

C l k 32O u t

C l k 32I n

R 13

Y112C 21

Y312R 19C 22P 1.1P 1.2P 1.3P 1.4P 1.5U1TDC_GP2

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发射频率为1MHz ，故设计了由电阻R20和电容

C23所组成的一阶无源高通滤波电路，其载止频率

约为0．8MHz 。通过滤波后的超声波信号输入由U6

运算放大器芯片构成的过零比较器，比较输出后得到TDC－GP2芯片能够识别的矩形波脉冲信号。

TDC－GP2芯片接收到Stop1信号后，计时结束。最后由TDC－GP2内部的算术逻辑单元计算出Start 信

号与Stop1信号之间的时间差值，记为本次超声波顺流传播时间值。接着开始测量逆流传播时间，切换上、下游换能器的收发状态，使电路处于逆流传播时间测量状态。单片机控制TDC－GP2芯片只从

Fire2脉冲输出端发出脉冲信号，该脉冲信号激励下

游换能器发射出超声波信号，同时该脉冲信号通过异或门芯片U5后输出Start 脉冲信号，TDC－GP2接收到Start 脉冲信号后计时开始。上游换能器接收到的信号经过同上的信号处理后输入到TDC－GP2的

Stop1端口，TDC－GP2计时结束，TDC－GP2内部算术

逻辑单元计算出时间差值，记为本次超声波逆流传播时间值。根据测量得到的顺、逆流传播时间值代入公式计算可得此时测量管段的流量值。

4实验

本实验采用的测量管段的外径为20mm ，内径

为12mm ，超声波换能器在测量管段上的安装角度为

30°。实验用标定流量计为光华爱而美特公司生产的IFS4000系列口径为15mm 的电磁流量计，测量范围为0～3m 3/h ，量程的最大测量误差为0．1％。

本实验在标定流量计测量范围内随机选择13

个点做测试，所取测量时间差值为该测量点六次读数的平均值。测得数据如表1所示。表中流量值是根据测量时间差值通过一次数据拟合所得的值，在实

际测量中，管道内流体在不同流速状态下存在着不同波动特性，在本实验流量测量范围内甚至还存在着流体流层特性的改变，所以根据多次实验测量的数据采用分段拟合数据法以提高流量的测量精度。误差带为该测量点六次读数中的最大值与最小值之差，用于表征流量测量的准确度。相对误差＝（测量

值－标准值）/标准值100，用于表征流量测量精度。

5结语

本文提出一种基于TDC－GP2

芯片的时差法超声波流量计的流量测量方法，硬件电路设计原理结构简单且易于实现，经实验验证流量测量精度较高。结合使用MSP430系列超低功耗单片机，可大大降低流量计整机的功耗，有望广泛应用

于热量表等相关测量领域。

参考文献：

［1］鞠文涛．超声波热量表的设计与研发［D ］．杭州：浙江大学机械与

能源工程学院，2008．

［2］章坚武，张数明．TDC－GP2在激光测距传感器中的应用［J ］．仪表

技术与传感器，2009（8）：74－76．

［3］ACAM 公司．TDC－GP2datasheet．［EB /OL ］．（2011－2－11）［20－115－

10］．http ：//wenku．baidu．com /view /588b587831b765ce0508149e．html．［4］胡大可．MSP430系列Flash 型低功耗16位单片机［M ］．北京：北

京航空航天大学出版社，2002．

［5］张梦，张辉．高精度超声波流量计的设计［J ］．工业计量，2010，20

（3）：35－37．

■

表1

流量测量数据表

Tab .1Flow measure data table

标准示数/（m 3·h -1）

测量时间差值/μs

流量值/（m 3·h -1）

误差带/（m 3·h -1）

相对误差/％

0．1180．064460．1160．00266－1．950．2290．078150．2240．00046－2．090．2960．089030．3100．000444．90．4360．103930．4290．0005－1．680．5430．114300．5350．0011－1．520．6500．128030．6660．00042．540．8080．141930．8000．0108－1．010．9870．145380．9740．0011－1．341．4800．224771．4890．00590．622．0020．305002．0100．0030．42．4280．371132．4390．00490．472．8240．429722．8200．0014－0．152．924

0．44398

2．912

0．003

－0．4

图4流量测量控制电路

Fig．4Control circuit of the flow measure

B Vcc

GND A OE

B Vcc

GND A OE

U3U4

3213214545VCC

VCC

R 20

C 23

C 14

P6.0P6.1

U5123

54A B

GND

Vcc Y VCC

start

C 12

Fire1

Fire2下游换能器上游换能器

G N D

+I N

-I N

N C

N C V o u t V c c N C

VCC

C 24

C 1320