我國(guó)稀土工業(yè)發(fā)展迅速, 但由于我國(guó)的稀土工業(yè)在對(duì)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面起步較晚, 尚未全部實(shí)現(xiàn)各串級(jí)之間流量等數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè), 目前仍處于比較落后的狀態(tài)。由于萃取槽流量測(cè)量具有復(fù)雜的環(huán)境條件和多樣的應(yīng)用場(chǎng)合, 因此要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象、測(cè)量范圍和應(yīng)用場(chǎng)合, 綜合考慮***合適的流量測(cè)量裝置。超聲波流量計(jì)作為非接觸式流量計(jì), 在進(jìn)行流體流量測(cè)量時(shí), 只需將超聲波換能器安裝在管道的外側(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的測(cè)量, 不需要修改原有管道, 可以在高溫、高壓等條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕性流體的流量測(cè)量, 而且在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)管道內(nèi)流體的流動(dòng)產(chǎn)生干擾, 因此得到廣泛的應(yīng)用[1,2]。隨著集成電路的不斷發(fā)展, 出現(xiàn)了各式各樣的高速計(jì)時(shí)芯片, 德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22, 具有時(shí)鐘測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元、停止信號(hào)使能、高速脈沖發(fā)生器、模擬控制部分、可編程比較器和波檢測(cè)等功能。這就使得超聲波流量計(jì)在保證精度的同時(shí)也簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。

時(shí)差法的工作原理就是通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中順、逆流的時(shí)間差, 利用流體流速與傳播時(shí)間之間的關(guān)系可求出流體的平均流速V, 進(jìn)而求得流量Q[3~8]。其測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

根據(jù)圖1, 換能器A和換能器B交替發(fā)射和接收超聲波信號(hào), 順流時(shí), 超聲波在液體中的傳播時(shí)間為:

逆流時(shí), 超聲波在液體中的傳播時(shí)間為:

式中, 兩換能器相對(duì)于流體流速方向的角度為α, 超聲波在兩換能器之間的傳播距離為L(zhǎng), 流體流速為ν, 被測(cè)管道直徑為D, 超聲波在流體中的流速為流體流速ν和聲速c在傳輸路徑上的矢量和[5], τ0是超聲波在非流體介質(zhì)中順流和逆流傳播時(shí)所用的時(shí)間。

根據(jù)公式 (1) 和 (2) , 可求得流體流速ν和順逆流時(shí)間差:

由于超聲波在液體中的傳播速度受溫度等因素的影響, 所以在實(shí)際應(yīng)用中盡量在計(jì)算公式中將聲速這個(gè)變量排除。根據(jù)公式 (3) 可以看出, 不需要知道聲速, 這樣避免了其它因素對(duì)聲速的影響, 從而消除了聲速對(duì)精度的影響, 因通過(guò)公式 (3) 計(jì)算出的速度為流體的軸向平均流速ν, 而不是瞬時(shí)速度νA, 因此需要乘以一個(gè)流量修正系數(shù)K:

根據(jù)流體力學(xué), 當(dāng)雷諾數(shù)Re在某一范圍內(nèi)時(shí), K為定值, 其大小在標(biāo)定過(guò)程中確定。

再根據(jù)管道的尺寸參數(shù)來(lái)求出管道橫截面積S, 進(jìn)而求得流體的瞬時(shí)流量Q[9]:

為保證超聲波在流體介質(zhì)中的測(cè)量, 簡(jiǎn)化硬件外圍電路的設(shè)計(jì), 提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成度, 降低開(kāi)發(fā)難度, 選擇了德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22。TDC-GP22芯片使用粗值計(jì)數(shù)器與高速計(jì)時(shí)相結(jié)合的方式進(jìn)行高精度計(jì)時(shí), 粗值計(jì)數(shù)器采用脈沖計(jì)數(shù)法通過(guò)記錄基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖數(shù)從而計(jì)算出時(shí)間間隔;高速計(jì)時(shí)單元通過(guò)內(nèi)部邏輯門的延遲來(lái)進(jìn)行時(shí)間間隔的高精度測(cè)量, 測(cè)量精度主要取決于信號(hào)通過(guò)芯片內(nèi)部邏輯門的傳播時(shí)間。TDC-GP22芯片測(cè)量時(shí)間的原理圖如圖2所示。

該系統(tǒng)采用TDC-GP22芯片的測(cè)量方式2, 該方式下的測(cè)量范圍為500 ns~4 ms, 計(jì)時(shí)單元由start信號(hào)觸發(fā), stop信號(hào)結(jié)束, 芯片測(cè)量的不是整個(gè)時(shí)間間隔, 而是測(cè)量從start信號(hào)和stop信號(hào)到相鄰基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的間隔時(shí)間和, 同時(shí)TDC-GP22芯片會(huì)記下兩次精密測(cè)量之間基準(zhǔn)時(shí)鐘的脈沖個(gè)數(shù)n, 測(cè)量范圍可達(dá)到26位[10]。

TDC-GP22芯片的ALU計(jì)算時(shí)間間隔的計(jì)算公式為:

式中:Tref為基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期;T為測(cè)量時(shí)間;cal2、cal1為校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。

雖然TDC-GP22計(jì)時(shí)芯片的集成度很高, 但是TDC-GP22芯片內(nèi)部缺少中央處理器CPU, 因此需要外部連接一個(gè)單片機(jī)對(duì)芯片內(nèi)部的運(yùn)算單元ALU、數(shù)字轉(zhuǎn)換單元TDC等模塊進(jìn)行控制, 整個(gè)電路系統(tǒng)采用選用意法半導(dǎo)體 (ST) 公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為主控芯片, STM32F103RCT6是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式-微控制器, 具有256 k B的程序存儲(chǔ)器, 48 k B的片上RAM, 主頻為72 MHz, 具有豐富的片上外設(shè), 而且芯片TDC-GP22內(nèi)部還集成有4線的SPI接口, 可以直接與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊, 實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量和流量的計(jì)算。

TDC-GP22的外圍電路圖如圖3所示, 整個(gè)外圍系統(tǒng)中, 需要用到兩個(gè)晶振來(lái)保證其正常工作, 一個(gè)是如圖中的Y2 (4 MHz) 所示的高速校準(zhǔn)時(shí)鐘單元, 另一個(gè)是32.768 k Hz的基準(zhǔn)時(shí)鐘, 用于時(shí)鐘校準(zhǔn)和控制高速時(shí)鐘的起振。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集中, 由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓, 容易造成SPI接口無(wú)法正常工作, 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。因此, 在強(qiáng)干擾環(huán)境中, 或是高的性能要求下, 就必須對(duì)SPI總線各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)實(shí)行電氣隔離。傳統(tǒng)的SPI總線隔離方法是光耦合器技術(shù), 使用光束來(lái)隔離和保護(hù)檢測(cè)電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個(gè)安全接口, 需要使用大量的電阻、三極管才能正常工作, 而ADI的ADu M數(shù)字隔離器中的ADu M1411是一種四通道數(shù)字隔離芯片, 一個(gè)芯片就可以完全替代使用光耦隔離的整個(gè)電路。而其僅需通用集成電路的兩個(gè)旁路電容就可以正常工作了。

TDC-GP22芯片內(nèi)的脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生的激勵(lì)方波的幅值為3.3 V, 超聲波換能器不能被充分地激發(fā), 并且發(fā)射的超聲波信號(hào)在飛行過(guò)程中, 由于管道以及液體流動(dòng)等因素的影響, 信號(hào)會(huì)在介質(zhì)中出現(xiàn)衰減現(xiàn)象, 使信號(hào)變得微弱, 并且會(huì)帶有介質(zhì)內(nèi)部的噪聲以及電子電路噪聲等, 使得芯片內(nèi)的檢測(cè)單元無(wú)法準(zhǔn)確獲取超聲波信號(hào), 從而無(wú)法進(jìn)行對(duì)超聲波飛行時(shí)間的計(jì)算, 所以就需要更大能量的激勵(lì)信號(hào), 因此在芯片TDC-GP22的外圍電路中設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路。

如圖4所示為超聲波信號(hào)放大電路。首先通過(guò)雙路運(yùn)算放大器LM358N電源電路將從24 V的電源得到正負(fù)10 V的電源。LM358N具有低功耗底、高增益、工作電壓范圍寬可以在低至3.0 V或高達(dá)32 V的電源電壓下工作、靜態(tài)電流小等特點(diǎn), 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式。然后, 通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)器芯片TC4427和TC4426, 將TDC-GP22和所產(chǎn)生的頻率為1 MHz電壓為0~3.3 V的信號(hào), 轉(zhuǎn)換為頻率為1 MHz電壓為0~10 V的信號(hào)和頻率為1 MHz電壓為-10~0的信號(hào)。TC4427和TC4426具有輸出電流高、輸入電源電壓工作范圍寬、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。TDC-GP22所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大以后, ***終所施加到超聲波換能器兩端的信號(hào)為頻率為1 MHz電壓為0~20 V的激勵(lì)信號(hào), 如圖5所示, 經(jīng)測(cè)試此信號(hào)能夠滿足此系統(tǒng)中所使用的換能器對(duì)激勵(lì)信號(hào)功率的要求。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試, 不同流速下流量計(jì)的誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1, 由表1可以看出, 當(dāng)流體 (水) 的流速在300~3 000 L/h時(shí), 超聲波流量計(jì)的相對(duì)誤差小, 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求, 重復(fù)性誤差相對(duì)較小, 且精度基本保證在±0.5%范圍內(nèi)。

試驗(yàn)通過(guò)研究改進(jìn)時(shí)差法原理、發(fā)射信號(hào)放大電路及抗干擾等問(wèn)題, 針對(duì)現(xiàn)有流量計(jì)電路復(fù)雜, 不適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿的特殊環(huán)境及多電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊場(chǎng)合, 使用高精度數(shù)字計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22進(jìn)行計(jì)時(shí), 有效地簡(jiǎn)化了超聲波流量計(jì)外圍電路的設(shè)計(jì), 同時(shí)保證了器測(cè)量精度, 針對(duì)超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了超聲波信號(hào)放大電路, 針對(duì)電機(jī)啟動(dòng)干擾導(dǎo)致的過(guò)壓?jiǎn)栴}, 設(shè)計(jì)了數(shù)字隔離電路, ***終提出了一種基于STM32單片機(jī)和TDC-GP22高精度時(shí)間測(cè)量芯片的流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 有效地防止了電磁干擾的問(wèn)題, 改善了稀土萃取車間管道流量的監(jiān)測(cè)問(wèn)題, 增加了企業(yè)效益。