CN112683414A - 一种基于tdc高分辨率集成芯片的超声波水表温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于TDC集成芯片的超声波水表温度测量方法。所述方法包括：用于支撑测量的超声波管道结构、一对超声波换能器、二个金属反射片、二个反射片支撑柱、两个密封圈、两个法兰盘以及TDC高分辨率芯片集成电路板。本发明基于TDC高分辨率集成芯片发送超声波脉冲信号激发上游超声波换能器，下游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算时间t₁₂(或者发送超声波脉冲信号激发下游超声波换能器，上游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算时间t₂₁)，利用两个计算的时间值推导公式即可得到实时波速C,通过查询波速与液体温度的对应关系表得到实时温度。本发明无任何破坏性拆解，利用管道结构和高分辨率集成计时芯片推导公式来测量温度的方法，并且结构简单，集成度高，测量精度高，避免传统的温度传感器加复杂繁琐信号放大处理电路以及ADC采集电路的测温方法。

Description

一种基于TDC高分辨率集成芯片的超声波水表温度测量方法

技术领域

本发明涉及液体温度测量领域，尤其涉及一种基于TDC集成芯片的超声波水表温度测量方法。

背景技术

超声波在液体的波速会随着液体的温度变化而变化，利用这个性质特征可以快速、精确测量工业现场管道的液体的瞬时温度。超声波测温方法对测量被测液体无干扰，响应时间短并且适应各种复杂工业环境，超声波测温比传统的传感器信号放大电路加ADC采集的测量方法可以达到更快速、更精确、测温范围更宽的要求，更好的满足和适应工业现代化生产、科学研究中的精确测量，尤其在高温和恶劣环境影响。

超声波测量温度方法主要利用U型反射式结构管道和时差法的测量原理，基本原理：管道中存在一定速度的稳定流动的液体，当超声波传播的矢量方向与液体流动矢量同向时，超声波传播速度会随着液体的流动速度增大而增大；当超声波传播的矢量方向与液体流动矢量反向时，超声波传播速度随着流体速度增大而减小。通过超声波信号在液体中顺流和逆流传播的时间来推导出超声波的实际波速，再通过查询声速C-温度T关系对应关系得出液体的实际温度。

发明内容

本发明的目的在避免传统温度传感器和ADC采集的繁琐方法，实际测量中温度传感器的精度和ADC采集电路的精度都需要很高的要求而且电路复杂过程繁琐，本发明提供一种基于TDC高分辨率集成芯片的超声波水表温度测量方法，舍去了传统的温度传感器的技术手段，利用TDC高分辨率的集成芯片精确计算时间，这种TDC集成芯片计算时间的分辨在22ps左右，提升了温度测量精度，测量的温度结果通过集成电路板主控制器以串口数据实时显示，具体技术方案如下：

一种基于TDC集成芯片的超声波水表温度测量方法。包括用于支撑测量的超声波管道结构、一对超声波换能器、二个金属反射片、二个反射片支撑柱、密封圈、法兰盘以及TDC高分辨率芯片集成电路板。

在本发明一个较佳实施例中，支撑外壳整体圆管道结构，管道大小以直径为D的管道结构设计，管道上方开两个空腔，空腔中心位置距离为L,空腔内用来分别放置一对超声波换能器。

在本发明一个较佳实施例中，一对超声波换能器和密封圈安装在超声波管道结构空腔内，密封圈保证测量装置的密封性，一对超声波换能器既可以用来发送超声波信号也可以接收超声波包络回波信号。

在本发明一个较佳实施例中，法兰盘安装方便，连接管道密封性好，方便与不同的直径大小外管径连接测量。

在本发明一个较佳实施例中，反射片支撑柱与管道水平面垂直90度，并且固定支撑反射片结构，金属反射片位置安装在超声波换能器的正下方，且与水平轴成45度夹角，主要将垂直方向(水平方向)的超声波信号转向为水平方向(垂直方向)的超声波信号，目的与液体流动方向矢量同向或反向，超声波换能器发送的超声波信号经反射片反射后另一个超声波换能器接收。

在本发明一个较佳实施例中，具体使用方式如下所示:

采用两个超声波换能器来测温方式，将一对超声波换能器和两个密封圈以90度垂直安装在管道上侧空腔并固定，超声波换能器的探头表面与液体接触，TDC高分辨率芯片集成电路板交替触发上游超声波换能器或下游超声波换能器产生脉冲信号，并且一段时间后，上游超声波换能器或下游超声波换能器接收到超声波回波信号，TDC高分辨率芯片可以对超声波回波信号自动计算到达时间。

在本发明一个较佳实施例中，利用TDC高分辨率集成芯片发送超声波脉冲信号激发上游超声波换能器，下游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算顺流时间为t₁₂，然后发送超声波脉冲信号激发下游超声波换能器，上游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算逆流时间t₂₁，交替触发产生脉冲方波和回波信号。

上述超声波从上游传播到下游的时间公式：

上述超声波从下游传播到上游的时间公式：

上述公式可以推导超声波实时声速C:

基于声速c与温度T有严格的对应关系，只要测得超声波顺流时间t₁₂,逆流时间t₂₁和超声波换能器中心距反射片中心距离S，两个反射片中心距离L，计算出实时声速c，存储50组波速数据，进行误差修正，即可液体的温度与波速的对应关系可以得出实时温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用可方便拆卸式的超声波换能器管道结构，利用TDC高分辨率计时芯片发送和计算超声波回波信号到达时间，通过计算顺流和逆流时间来计算实时波速，再通过波速与温度的对应关系得出实时温度，本发明测量方法简便，利用高分辨率计时芯片提高测温精度，避免传统的温度传感器和ADC采集复杂的繁琐的测温方法。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明方法的超声波换能器安装基本示意图。

图2是本发明测量方法工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。

如图1所示，一种基于TDC高分辨率集成芯片的超声波水表温度测量方法，包括用于支撑测量的超声波管道结构2、一对超声波换能器4和5、二个金属反射片9和10、二个反射片支撑柱8和11、两个密封圈3和6、两个法兰盘1和7以及TDC高分辨率芯片集成电路板12。一对超声波换能器4和5和两个密封圈3和6以90度垂直安装在支撑测量的超声波管道结构2上侧空腔并固定，超声波换能器4和5的探头下表面与液体接触，并且两个反射柱8和11以90度垂直于管道水平面，两个金属反射片9和10分别固定在反射片支撑柱8和11上，且与水平轴成45度夹角。两个法兰盘1和7可以与外管段连接，TDC高分辨率芯片集成电路板12交替触发上游超声波换能器5或下游超声波换能器4产生脉冲信号，并且一段时间后，上游超声波换能器5或下游超声波换能器4接收到超声波回波信号，TDC高分辨率芯片集成电路板12可以对超声波回波信号自动计算到达时间。

如图1所示，TDC高分辨率芯片集成电路板12发送超声波脉冲信号激发上游超声波换能器5，下游超声波换能器4接收超声波包络回波信号计算时间t₁₂，超声波从上游传播到下游的时间公式：

如图1所示，TDC高分辨率芯片集成电路板12发送超声波脉冲信号激发下游超声波换能器4，上游超声波换能器5接收超声波包络回波信号计算时间t₂₁，超声波从下游传播到上游的时间公式：

公式可以推导超声波实时声速C:

利用两个计算的时间值推导公式即可得到实时波速C,通过查询波速与液体温度的对应关系表得到实时温度。

步骤一)结合图2说明，系统上电初始化，TDC高分辨率芯片集成电路板开始工作，一对超声波换能器4和5和两个密封圈3和6以90度垂直安装在支撑测量的超声波管道结构2上侧空腔并固定，并且两个法兰盘1和7通过法兰与外管段连接。

步骤二)测量过程：如图2，等待液体的流速稳定，若流体的流速稳定下来，则TDC高分辨率芯片集成电路板12交替触发上游超声波换能器5或下游超声波换能器4产生脉冲信号，并且一段时间后，上游超声波换能器5或下游超声波换能器4接收到超声波回波信号，TDC高分辨率芯片集成电路板12可以对超声波回波信号自动计算到达时间。

步骤三)数据处理：TDC高分辨率芯片集成电路板12分别记录此时测量周期的顺流时间t₁₂和逆流时间t21，利用公式推导实时波速与时间值的对应关系，超声波换能器5与反射片9的中心距离S和两反射片9和10之间的距离L均为固定值，可以通过游标卡尺量出多次数值并计算平均值，以减少误差所带来的影响。利用串口通信与PC机交互数据，采集50组实时波速数据，并对实时波速误差进行修正，最后利用液体的波速C与温度T的对应关系查表的方式来计算实时温度，避免传统的温度传感器加繁琐的信号放大电路和ADC采集电路来采集实时温度。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于TDC集成芯片的超声波水表温度测量方法。所述方法包括：用于支撑测量的超声波管道结构、一对超声波换能器、二个金属反射片、二个反射片支撑柱、两个密封圈、两个法兰盘以及TDC高分辨率芯片集成电路板。

2.根据权利要求1所述的用于支撑测量的超声波管道结构，其特征在于，管道大小以直径为D的管道结构设计，管道上方开两个空腔，空腔中心位置距离为L,空腔内用来放置超声波换能器。

3.根据权利要求1所述的一对超声波换能器，其特征在于，一对超声波换能器既可以用来发送超声波信号也可以接收超声波包络回波信号。

4.根据权利要求1所述的金属反射片，其特征在于，金属反射片位置安装在超声波换能器的正下方，且与水平轴成45度夹角，超声波换能器发送的超声波信号经反射片反射后另一个超声波换能器接收。

5.根据权利要求1所述的反射片支撑柱，其特征在于，反射片支撑柱与管道水平面垂直90度，并且固定支撑反射片结构。

6.根据权利要求1所述的密封圈，其特征在于，密封圈位于超声波换能器和超声波管道结构上方空腔中，保证测量装置的密封性，同时为了保证测量的精确度。

7.根据权利要求1所述的法兰盘，其特征在于，法兰盘安装方便，连接管道密封性好，方便与不同的直径大小外管径连接。

8.根据权利要求1所述的TDC高分辨率芯片集成电路板，其特征在于，TDC高分辨率芯片主要用来发射脉冲方波信号和计算超声波回波信号的到达时间，利用TDC高分辨率集成芯片发送超声波脉冲信号激发上游超声波换能器，下游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算顺流时间为t₁₂，然后发送超声波脉冲信号激发下游超声波换能器，上游超声波换能器接收超声波包络回波信号计算逆流时间t₂₁，交替触发产生脉冲方波和回波信号。

如图1所示，

顺流时间公式表示：

逆流时间公式表示：

上述公式可推导出超声波实时声速C：

基于声速c与温度T有严格的对应关系，只要测得超声波顺流时间t₁₂,逆流时间t₂₁和超声波换能器中心距反射片中心距离S，两个反射片中心距离L，即可由波速查表得出温度值。

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