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，目前仍处于比较落后的状态。由于萃取槽流量测量具有复杂的环境条件和多样的应用场合，因此要根据具体的测量对象、测量范围和应用场合，综合考虑最合适的流量测量装置。超声波流量计作为非接触式流量计，在进行流体流量测量时，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测量，不需要修改原有管道，可以在高温、高压等条件下实现对腐蚀性流体的流量测量，而且在测量过程中不会对管道内流体的流动产生干扰，因此得到广泛的应用［1，2］。随着集成电路的不断发展，出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，具有时钟测量单元、温度测量单元、停止信号使能、高速脉冲发生器、模拟控制部分、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保证精度的同时也简化了硬件电路的设计。

1 时差法流量测量原理

时差法的工作原理就是通过测量超声波在流体中顺、逆流的时间差，利用流体流速与传播时间之间的关系可求出流体的平均流速V，进而求得流量Q［3～8］。其测量原理示意图如图1所示。

  

图1 时差法测量原理示意图

根据图1，换能器A和换能器B交替发射和接收超声波信号，顺流时，超声波在液体中的传播时间为：

调强放疗以不同物理手段进行治疗的技术，依据靶区外形，经过控制与调整照射野内射线不同强度分布所形成不同剂量达到对靶区致死性高剂量的照射，同时对肿瘤周边正常组织的照射控制在耐受分为内一种放疗技术[4-6]。调强放疗设计思路源自CT逆向思维：均匀的射线束在通过人体以后变为强度不均匀射线束，若采用照射采用不均匀射线束，那么射线可能为均匀IMRT关键因素是照射野中进行不均匀射线治疗，在加上多野照射则能够得到靶区立体形状剂量分布且可使“剂量适形”[7-9]。

 

逆流时，超声波在液体中的传播时间为：

 

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。

Design Optimization and Construction of a Full-Closed Sound Barrier for a Urban Elevated Highway……………WANG Dingjun, KE Qing, XI Hao(3·83)

根据公式（1）和（2），可求得流体流速ν和顺逆流时间差：

式中：T ref为基准时钟的周期；T为测量时间；cal2、cal1为校准时钟周期。

 

由于超声波在液体中的传播速度受温度等因素的影响，所以在实际应用中尽量在计算公式中将声速这个变量排除。根据公式（3）可以看出，不需要知道声速，这样避免了其它因素对声速的影响，从而消除了声速对精度的影响，因通过公式（3）计算出的速度为流体的轴向平均流速ν，而不是瞬时速度νA，因此需要乘以一个流量修正系数K：

 

式中，两换能器相对于流体流速方向的角度为α，超声波在两换能器之间的传播距离为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［5］，τ0是超声波在非流体介质中顺流和逆流传播时所用的时间。

该系统采用TDC－GP22芯片的测量方式2，该方式下的测量范围为500 ns～4 ms，计时单元由start信号触发，stop信号结束，芯片测量的不是整个时间间隔，而是测量从start信号和stop信号到相邻基准时钟上升沿之间的间隔时间和，同时TDC－GP22芯片会记下两次精密测量之间基准时钟的脉冲个数n，测量范围可达到 26位［10］。

在工业现场的数据采集中，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压，容易造成SPI接口无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。因此，在强干扰环境中，或是高的性能要求下，就必须对SPI总线各个通信节点实行电气隔离。传统的SPI总线隔离方法是光耦合器技术，使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提供一个安全接口，需要使用大量的电阻、三极管才能正常工作，而ADI的ADuM数字隔离器中的ADuM1411是一种四通道数字隔离芯片，一个芯片就可以完全替代使用光耦隔离的整个电路。而其仅需通用集成电路的两个旁路电容就可以正常工作了。

 

2 MCU与计时芯片

为保证超声波在流体介质中的精确测量，简化硬件外围电路的设计，提高系统设计的集成度，降低开发难度，选择了德国ACAM公司生产的高精度计时芯片TDC－GP22。TDC－GP22芯片使用粗值计数器与高速计时相结合的方式进行高精度计时，粗值计数器采用脉冲计数法通过记录基准时钟脉冲数从而计算出时间间隔；高速计时单元通过内部逻辑门的延迟来进行时间间隔的高精度测量，测量精度主要取决于信号通过芯片内部逻辑门的传播时间。TDC－GP22芯片测量时间的原理图如图2所示。

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［9］：

  

图2 TDC－GP22芯片测量时间的原理图

TDC－GP22的外围电路图如图3所示，整个外围系统中，需要用到两个晶振来保证其正常工作，一个是如图中的Y2（4 MHz）所示的高速校准时钟单元，另一个是32.768 kHz的基准时钟，用于时钟校准和控制高速时钟的起振。

 

科技以一种超乎人类想象的速度在改变着人们的生活、工作和学习，美国未来学家阿尔温说：“未来的文盲不再是目不识丁的人，而是那些没有学会怎样学习的人。”信息化社会知识总量的增长、知识的更新速度越来越快，因此，现在最重要的人才标准是应用和获取知识的能力。而恰恰学生普遍缺少的正是学会学习的能力。海量的知识彻底颠覆了传统的学习方式，高校如何指导大学生学会从海量的知识体系中挖掘适合自己兴趣、符合社会需求、切合社会主义核心价值观的知识，掌握科学的学习方法，已经成为信息时代大学教育的核心。

虽然TDC－GP22计时芯片的集成度很高，但是TDC－GP22芯片内部缺少中央处理器CPU，因此需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等模块进行控制，整个电路系统采用选用意法半导体（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－微控制器，具有256 kB的程序存储器，48 kB的片上 RAM，主频为 72 MHz，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，实现对超声波信号传播时间的测量和流量的计算。

3 硬件电路设计

3.1 计时芯片外围电路

TDC－GP22芯片的ALU计算时间间隔的计算公式为：

3.2 数字隔离

图2--图5给出了测点半径为10～25 mm，30～50 mm，60～90 mm，100～120 mm时实测的球面波径向粒子速度曲线。

1.1 小鼠和疟原虫、以及疟原虫感染小鼠 5～7周龄昆明小鼠，饲养于清洁级动物房。约氏疟原虫P.y NSM为本实验室保存株。取1×106数量的P.y NSM原虫通过尾静脉感染小鼠，并记录小鼠的原虫血症、红细胞数量和体温变化。

  

图3 TDC－GP22的外围电路图

3.3 超声波发射信号放大电路

TDC－GP22芯片内的脉冲发生器能够产生的激励方波的幅值为3.3 V，超声波换能器不能被充分地激发，并且发射的超声波信号在飞行过程中，由于管道以及液体流动等因素的影响，信号会在介质中出现衰减现象，使信号变得微弱，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信号，从而无法进行对超声波飞行时间的精确计算，所以就需要更大能量的激励信号，因此在芯片TDC－GP22的外围电路中设计了信号放大电路。

如图4所示为超声波信号放大电路。首先通过双路运算放大器LM358N电源电路将从24 V的电源得到正负10 V的电源。LM358N具有低功耗底、高增益、工作电压范围宽可以在低至3.0 V或高达32 V的电源电压下工作、静态电流小等特点，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。然后，通过MOSFET驱动器芯片TC4427和TC4426，将TDC－GP22和所产生的频率为1 MHz电压为0～3.3 V的信号，转换为频率为1 MHz电压为0～10 V的信号和频率为1 MHz电压为－10～0的信号。TC4427和TC4426具有输出电流高、输入电源电压工作范围宽、驱动能力强、响应时间快、抗干扰能力强等特点。TDC－GP22所产生的信号经过放大以后，最终所施加到超声波换能器两端的信号为频率为1 MHz电压为0～20 V的激励信号，如图5所示，经测试此信号能够满足此系统中所使用的换能器对激励信号功率的要求。

4 测试分析

经试验测试，不同流速下流量计的误差统计见表1，由表1可以看出，当流体（水）的流速在300～3 000 L／h时，超声波流量计的相对误差小，达到了设计要求，重复性误差相对较小，且精度基本保证在±0.5%范围内。

随着人们生活物质水平的提高，人们对日光紫外线辐射造成人体皮肤的危害的认识不断的增加，防晒意识逐渐增强，防晒化妆品作为特殊用途的化妆品产品已经变成生活的必需品。市场上防晒产品琳琅满目，其防晒性能的优劣是产品质量的关键点，无论是消费者还是生产企业都十分关心。随着国家关于化妆品宣称功效的政策出台，防晒品功效评价需求日益增多，建立一个经济、高效、快速的评价方法显得很有必要。

  

图4 超声波信号放大电路

 

表1 不同流速下流量计的误差

  

试验流量点／L·h－1设定流量值／L实测流量值／L实测流量点均值／L相对误差／%最大相对误差／%重复性误差／%300 3 000 2 993.656 1 3 014.471 1 3 011.775 4 3 007.661 5－0.21 0.46 0.39 0.46 0.379 6 500 3 000 1 000 5 000 2 000 6 000 3 006.935 0 2 989.162 0 3 013.965 0 5 012.264 5 4 987.035 2 5 019.571 0 6 016.521 4 6 021.237 5 6 013.164 3 3 003.354 0 5 006.290 2 6 016.974 4 0.23－0.36 0.47 0.25－0.26 0.39 0.28 0.35 0.22 0.47 0.426 1 0.39 0.341 4 0.35 0.067 6 3 000 6 000 6 019.037 4 6 020.989 4 6 011.761 4 6 017.262 7 0.32 0.35 0.20 0.35 0.081 1

  

图5 超声波放大激励信号

5 结 论

试验通过研究改进时差法原理、发射信号放大电路及抗干扰等问题，针对现有流量计电路复杂，不适用于强酸强碱的特殊环境及多电机运转的特殊场合，使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，同时保证了器测量精度，针对超声波信号衰减严重的问题，设计了超声波信号放大电路，针对电机启动干扰导致的过压问题，设计了数字隔离电路，最终提出了一种基于STM32单片机和 TDC－GP22高精度时间测量芯片的流量计系统设计，有效地防止了电磁干扰的问题，改善了稀土萃取车间管道流量的监测问题，增加了企业效益。

参考文献：

［1］ 金松日.一种小管径超声波流量计的设计［D］.大连：大连理工大学，2013.

［2］ 高岩峰.基于TDC－GP22与相关法高精度超声波流量计的研制［D］.杭州：中国计量大学，2016.

［3］ 李红娟.基于TDC－GP21芯片的超声波流量计设计及实现［D］.银川：宁夏大学，2014.

［4］ 邵慧.TDC－GP21在时差法超声波流量计中的应用［J］.现代电子技术，2012，（12）：134－136.

［5］ 邓凯.基于时差法超声波流量计的设计与研究［D］.广州：华南理工大学，2013.

［6］ Xing Hong Zhang，Hui Zhang，Xi Hou Chen，et al.Design of the A／D conversion circuit based on ARM for the time－difference method ultrasonic flowmeter［J］.Advanced Materials Research，2012，1 518（383）：516－523.

［7］ Zheng Yan Li，En Sheng Dong，Dong Ping Yang，et al.Design and implementation of ultrasonic flowmeter based on CPLD［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，2 748（427）：725－729.

［8］ 刘宇杰，李斌，刘振凯，等.基于TDC－GP22的超声波流量计设计［J］.工业控制计算机，2015，（3）：166－167，170.

［9］ 梅海舟.基于TDC－GP21型超声波流量计的开发与研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［10］季勇，仇国富.最新时间数字转换器TDC－GP22原理与应用经验［J］.电子制作，2016，（19）：9－10.