超声波流量计流量丈量打算与事理
我国稀土工业发展迅速，但由于我国的稀土工业在对过程的自动监测方面起步较晚，尚未全部实现各串级之间流量等数据的自动监测，目前仍处于比较掉队的状态。
由于萃取槽流量丈量具有繁芜的环境条件和多样的运用处所，因此要根据详细的丈量工具、丈量范围和运用处所，综合考虑最得当的流量丈量装置。
超声波流量计作为非打仗式流量计，在进行流体流量丈量时，只需将超声波换能器安装在管道的外侧即可实现对流体流量的丈量，不须要修正原有管道，可以在高温、高压等条件下实现对堕落性流体的流量丈量，而且在丈量过程中不会对管道内流体的流动产生滋扰，因此得到广泛的运用[1,2]。
随着集成电路的不断发展，涌现了各式各样的高速计时芯片，德国ACAM公司生产的高精度计时芯片TDC-GP22,具有时钟丈量单元、温度丈量单元、停滞旗子暗记使能、高速脉冲发生器、仿照掌握部分、可编程比较器和第一波检测等功能。
这就使得超声波流量计在担保精度的同时也简化了硬件电路的设计。
1时差法流量丈量事理
时差法的事情事理便是通过丈量超声波在流体中顺、逆流的韶光差，利用流体流速与传播韶光之间的关系可求出流体的均匀流速V,进而求得流量Q。
其丈量事理示意图如图1所示。
图1时差法丈量事理示意图
图1时差法丈量事理示意图
根据图1,换能器A和换能器B交替发射和吸收超声波旗子暗记，顺流时，超声波在液体中的传播韶光为：
打算公式
逆流时，超声波在液体中的传播韶光为：
打算公式
式中，两换能器相对付流体流速方向的角度为α，超声波在两换能器之间的传播间隔为L,流体流速为ν，被测管道直径为D,超声波在流体中的流速为流体流速ν和声速c在传输路径上的矢量和，τ0是超声波在非流体介质中顺流和逆流传播时所用的韶光。
根据公式（1）和（2），可求得流体流速ν和顺逆流韶光差：
打算公式
由于超声波在液体中的传播速率受温度等成分的影响，以是在实际运用中只管即便在打算公式中将声速这个变量打消。
根据公式（3）可以看出，不须要知道声速，这样避免了其它成分对声速的影响，从而肃清了声速对精度的影响，因通过公式（3）打算出的速率为流体的轴向均匀流速ν，而不是瞬时速率νA,因此须要乘以一个流量改动系数K:
打算公式
根据流体力学，当雷诺数Re在某一范围内时，K为定值，其大小在标定过程中确定。
再根据管道的尺寸参数来求出管道横截面积S,进而求得流体的瞬时流量Q:
打算公式
2MCU与计时芯片
为担保超声波在流体介质中的精确丈量，简化硬件外围电路的设计，提高系统设计的集成度，降落开拓难度，选择了德国ACAM公司生产的高精度计时芯片TDC-GP22。
TDC-GP22芯片利用粗值计数器与高速计时相结合的办法进行高精度计时，粗值计数器采取脉冲计数法通过记录基定时钟脉冲数从而打算出韶光间隔；高速计时单元通过内部逻辑门的延迟来进行韶光间隔的高精度丈量，丈量精度紧张取决于旗子暗记通过芯片内部逻辑门的传播韶光。
TDC-GP22芯片丈量韶光的事理图如图2所示。
该系统采取TDC-GP22芯片的丈量办法2,该办法下的丈量范围为500ns~4ms,计时单元由start旗子暗记触发，stop旗子暗记结束，芯片丈量的不是全体韶光间隔，而是丈量从start旗子暗记和stop旗子暗记到相邻基定时钟上升沿之间的间隔韶光和，同时TDC-GP22芯片会记下两次精密丈量之间基定时钟的脉冲个数n,丈量范围可达到26位。
丈量韶光的事理图
图2TDC-GP22芯片丈量韶光的事理图
TDC-GP22芯片的ALU打算韶光间隔的打算公式为：
打算公式
式中：Tref为基定时钟的周期；T为丈量韶光；cal2、cal1为校定时钟周期。
虽然TDC-GP22计时芯片的集成度很高，但是TDC-GP22芯片内部短缺中心处理器CPU,因此须要外部连接一个单片机对芯片内部的运算单元ALU、数字转换单元TDC等模块进行掌握，全体电路系统采取选用意法半导体（ST）公司生产的STM32F103RCT6作为主控芯片，STM32F103RCT6是基于Cortex-M3内核的32位嵌入式-微掌握器，具有256kB的程序存储器，48kB的片上RAM,主频为72MHz,具有丰富的片上外设，而且芯片TDC-GP22内部还集成有4线的SPI接口，可以直接与单片机连接进行数据通讯，实现对超声波旗子暗记传播韶光的丈量和流量的打算。
3硬件电路设计
3.1计时芯片外围电路
TDC-GP22的外围电路图如图3所示，全体外围系统中，须要用到两个晶振来担保其正常事情，一个是如图中的Y2（4MHz）所示的高速校定时钟单元，另一个是32.768kHz的基定时钟，用于时钟校准和掌握高速时钟的起振。
3.2数字隔离
在工业现场的数据采集中，由于现场情形十分繁芜，各个节点之间存在很高的共模电压，随意马虎造成SPI接口无法正常事情，严重时乃至会烧毁芯片和仪器设备。
因此，在强滋扰环境中，或是高的性能哀求下，就必须对SPI总线各个通信节点实施电气隔离。
传统的SPI总线隔离方法是光耦合器技能，利用光束来隔离和保护检测电路以及在高压和低压电气环境之间供应一个安全接口，须要利用大量的电阻、三极管才能正常事情，而ADI的ADuM数字隔离器中的ADuM1411是一种四通道数字隔离芯片，一个芯片就可以完备替代利用光耦隔离的全体电路。
而其仅需通用集成电路的两个旁路电容就可以正常事情了。
外围电路图
图3TDC-GP22的外围电路图
3.3超声波发射旗子暗记放大电路
TDC-GP22芯片内的脉冲发生器能够产生的勉励方波的幅值为3.3V,超声波换能器不能被充分地引发，并且发射的超声波旗子暗记在翱翔过程中，由于管道以及液体流动等成分的影响，旗子暗记会在介质中涌现衰减征象，使旗子暗记变得微弱，并且会带有介质内部的噪声以及电子电路噪声等，使得芯片内的检测单元无法准确获取超声波旗子暗记，从而无法进行对超声波翱翔韶光的精确打算，以是就须要更大能量的勉励旗子暗记，因此在芯片TDC-GP22的外围电路中设计了旗子暗记放大电路。
如图4所示为超声波旗子暗记放大电路。
首先通过双路运算放大器LM358N电源电路将从24V的电源得到正负10V的电源。
LM358N具有低功耗底、高增益、事情电压范围宽可以在低至3.0V或高达32V的电源电压下事情、静态电流小等特点，适宜于电源电压范围很宽的单电源利用，也适用于双电源事情模式。
然后，通过MOSFET驱动器芯片TC4427和TC4426,将TDC-GP22和所产生的频率为1MHz电压为0~3.3V的旗子暗记，转换为频率为1MHz电压为0~10V的旗子暗记和频率为1MHz电压为-10~0的旗子暗记。
TC4427和TC4426具有输出电流高、输入电源电压事情范围宽、驱动能力强、相应韶光快、抗滋扰能力强等特点。
TDC-GP22所产生的旗子暗记经由放大往后，终极所施加到超声波换能器两端的旗子暗记为频率为1MHz电压为0~20V的勉励旗子暗记，如图5所示，经测试此旗子暗记能够知足此系统中所利用的换能器对勉励旗子暗记功率的哀求。
4测试剖析
经试验测试，不同流速下流量计的偏差统计见表1,由表1可以看出，当流体（水）的流速在300~3000L/h时，超声波流量计的相对偏差小，达到了设计哀求，重复性偏差相对较小，且精度基本担保在±0.5%范围内。
超声波旗子暗记放大电路
图4超声波旗子暗记放大电路
表1不同流速下流量计的偏差
超声波放大勉励旗子暗记
图5超声波放大勉励旗子暗记
5结论
试验通过研究改进时差法事理、发射旗子暗记放大电路及抗滋扰等问题，针对现有流量计电路繁芜，不适用于强酸强碱的分外环境及多电机运转的分外场合，利用高精度数字计时芯片TDC-GP22进行计时，有效地简化了超声波流量计外围电路的设计，同时担保了器丈量精度，针对超声波旗子暗记衰减严重的问题，设计了超声波旗子暗记放大电路，针对电机启动滋扰导致的过压问题，设计了数字隔离电路，终极提出了一种基于STM32单片机和TDC-GP22高精度韶光丈量芯片的流量计系统设计，有效地防止了电磁滋扰的问题，改进了稀土萃取车间管道流量的监测问题，增加了企业效益。
