蘇 劍，李 斌，劉宇杰，劉振凱，聶志剛，丁旭冰，趙子峰

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072;2.浙江迪元儀表有限公司，浙江義烏 320018)

0 引言

近幾年來，超聲波流量計(jì)由于其非接觸式、不受流體物理化學(xué)性質(zhì)影響的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［1］。對時差式超聲波流量計(jì)而言，精確地測量超聲波傳播的時間是提高測量精度的關(guān)鍵，而在當(dāng)前測時芯片精度已經(jīng)達(dá)到ps級別的基礎(chǔ)上，要提高測時精度的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確判斷超聲波形到達(dá)的時刻［2］。在這個前提下，信號的質(zhì)量對測量的影響就顯得極其重要，因此本文提出了一種在進(jìn)行時間測量之前先進(jìn)行信號質(zhì)量判斷的超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)。

1 測量原理

時差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時間差與被測流體流速之間的關(guān)系來求流速的方法。其本質(zhì)是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動的影響，在順流和逆流時測出的時間會不同，因此再根據(jù)測出時間的差值就可以計(jì)算出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量［3］。其原理圖如圖1所示:逆流換能器和順流換能器相對于管道軸線的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線距離為L，流體流速v。

測量時，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發(fā)射超聲波端。超聲波的實(shí)際傳播速度c0是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量vcosθ的和:

此時，順逆流傳播時間為t1、t2為:

圖1 時差法超聲波流量計(jì)工作原理

由上式可得到順逆流時間差為

由于一般超聲流量計(jì)最大可測流速在10 m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1 500 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時間差為

相應(yīng)地，流體流速流量公式可以表示如下:

由式(5)可知超聲波順逆流傳播時間t1、t2的測量精度直接影響到流速的測量精度和測量范圍。

2 信號質(zhì)量判斷

2.1 信號質(zhì)量判斷機(jī)制

超聲波在媒質(zhì)中傳播時，其振幅將隨傳播距離的增大而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。理想的的超聲信號是較短的、由正弦填充的、具有鐘形包絡(luò)的脈沖信號，如圖2所示。

圖2 超聲回波波形圖

而在實(shí)際測量過程中，所接收到的回波可能會受到一些噪聲、雜質(zhì)等干擾因素影響，波形會變得不完整、不對稱，出現(xiàn)諸如第一個過低閾值點(diǎn)的正弦周期相對延遲，或者回波中個別正弦周期缺失等情況。這些受到干擾影響的壞波形，并不能真實(shí)反應(yīng)流體的流速情況，將其計(jì)算在內(nèi)會影響測量精確度。所以這里引入了信號質(zhì)量判斷的機(jī)制［4］，所謂的信號質(zhì)量判斷機(jī)制，即首先選取一些指標(biāo)作為決策標(biāo)準(zhǔn)，選定了決策標(biāo)準(zhǔn)后在測量過程中對每個獲得信號的指標(biāo)進(jìn)行判斷，滿足預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的信號繼續(xù)處理，否則丟棄。

1977年Eck［5］首次在接收機(jī)中引入了信號質(zhì)量判斷機(jī)制，如果信噪比達(dá)不到預(yù)設(shè)值，則產(chǎn)生一個標(biāo)記信號，系統(tǒng)據(jù)此標(biāo)記不處理或用其他方法處理本次接收信號以避免誤觸發(fā)或不觸發(fā)，其信號質(zhì)量判斷環(huán)節(jié)由比較器和觸發(fā)器等構(gòu)成。自此之后，這種思想一直延續(xù)至今，并發(fā)展成為多決策標(biāo)準(zhǔn)和多處理技術(shù)的系統(tǒng)。

當(dāng)把信號質(zhì)量判斷機(jī)制引入到超聲波流量計(jì)的信號處理上，可選擇的指標(biāo)就變得很多元化，如Kobayashi等［6］就以信噪比、峰值變化率、順逆流峰值比等指標(biāo)作為決策標(biāo)準(zhǔn)，滿足指標(biāo)的信號繼續(xù)處理，否則丟棄;再如2006年的一項(xiàng)專利［7］中描述的測量系統(tǒng)在信噪比較高時用相關(guān)法，較低時用積分門限觸發(fā)技術(shù)［8］。

2.2 雙閾值電平比較法

本文介紹一種具體的信號質(zhì)量判斷方法:雙閾值電平比較法［9］。雙閾值電平比較法系統(tǒng)中含有2個閾值比較，一個低閾值，一個高閾值。過高閾值的第一個時間作為系統(tǒng)采集的第一個時間點(diǎn)t1，再采集接下來的2個過高閾值點(diǎn)t2和t5，以及2個過低閾值點(diǎn)t3和t4，一共采集5個點(diǎn)的時間。在采集這5個時間點(diǎn)的同時由系統(tǒng)記錄過高閾值電平的脈沖個數(shù)以便進(jìn)行后續(xù)判斷。

圖3 雙閾值法示意圖

系統(tǒng)獲得了5個點(diǎn)時間和過高閾值電平的脈沖個數(shù)后，可以根據(jù)以下3個準(zhǔn)則來對回波信號進(jìn)行判斷:

(1)根據(jù)獲得的5個時間點(diǎn)的順序，看其是否滿足t1＜t2＜t3＜t4＜t5。如圖3所示，如果超聲波信號正常的話，那么其必然滿足t1＜t2＜t3＜t4＜t5。

(2)在條件(1)的基礎(chǔ)上，增加一個判斷條件，即t2－t1，t3－t2，t4－t3，t5－t4，這 4個值都必須滿足一定的條件。設(shè)定好閾值和回波峰值后，通過仿真將第二標(biāo)準(zhǔn)定為:

0.22 μs≤t2－ t1≤0.36 μs，0.03 μs≤t3－ t2≤0.07 μs，0.5 μs≤t4－ t3≤0.7 μs，0.02 μs≤t5－ t4≤0.06 μs，

具體數(shù)據(jù)可以根據(jù)現(xiàn)場情況再做調(diào)整。

(3)在通過標(biāo)準(zhǔn)(1)和(2)的基礎(chǔ)上設(shè)定過高閾值脈沖個數(shù)為5～7個為正常信號，否則通過自動增益進(jìn)行調(diào)整，直到信號正常為止。

2.3 信號質(zhì)量判斷

在得到上述判斷標(biāo)準(zhǔn)后，就可以依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)際測量信號在處理之前先進(jìn)行判斷。由于實(shí)際測量中信號捕捉的瞬時性，很難在實(shí)際測量中捕捉到能被該判斷方法篩選出來的壞信號波形圖，因此運(yùn)用仿真手段來觀察實(shí)際測量中可能出現(xiàn)的壞信號波形。在管道實(shí)際測量中，波形往往會出現(xiàn)兩種比較常見的畸變情況，即完全缺失超聲信號的某個波峰(缺波)如圖4所示或超聲信號某個波峰降低(陷波)如圖5所示，這里對這兩種比較常見的畸變進(jìn)行判斷。

圖4 缺波波形圖

圖5 陷波波形圖

圖4顯示了缺波波形圖，從圖4可以看出如果采用雙閾值電平比較法來對其處理的話，那么過高閾值脈沖個數(shù)會少一個，根據(jù)準(zhǔn)則(3)可以把這樣的信號丟棄掉。圖5顯示了陷波波形圖，該圖顯示了一種第一個波峰值的臨界狀態(tài)，根據(jù)準(zhǔn)則(1)可以篩選掉該信號。當(dāng)?shù)谝粋€波峰值繼續(xù)減小，判斷結(jié)果和缺波的情況一致;而當(dāng)?shù)谝粋€波峰值處于該臨界狀態(tài)和正常值之間時，需要依據(jù)準(zhǔn)則(2)來判斷，基于對準(zhǔn)則(2)的選取比較粗略，可以認(rèn)為這種情況滿足雙閾值電平比較法的判斷準(zhǔn)則，因此圖5顯示的是陷波信號是否被丟棄的一個臨界狀態(tài)。

表1列出了實(shí)際測量中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，根據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)可以看到第3組數(shù)據(jù)不滿足這5個時間點(diǎn)的理論順序，同時根據(jù)數(shù)據(jù)的大小可以判斷出它是圖5顯示的臨界狀態(tài)的測量結(jié)果;而第6組數(shù)據(jù)中每個時間點(diǎn)相比其他幾組數(shù)據(jù)都大了1 μs左右，可以看出該組數(shù)據(jù)顯示的是信號缺波或者陷波中第一個峰值比臨界狀態(tài)更小的情況下所測出的結(jié)果。因此根據(jù)雙閾值電平比較法，可以丟棄掉這兩組數(shù)據(jù)從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

表1 雙閾值法5個采集點(diǎn)時間 μs

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、微處理器模塊、收發(fā)電路模塊、信號處理模塊和高精度計(jì)時模塊組成。測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)具體流程為:首先由計(jì)時芯片TDC－GP2發(fā)出激勵脈沖，激勵脈沖經(jīng)過發(fā)射放大模塊后驅(qū)動發(fā)射超聲換能器，與此同時高精度計(jì)時芯片記下該脈沖作用時刻;控制器控制收發(fā)時序模塊控制未被激勵的超聲換能器作為接收換能器，接收穿越流體的超聲信號，并將信號傳遞給后續(xù)信號處理模塊。信號經(jīng)過放大濾波處理后再進(jìn)行過閾值比較、邊沿觸發(fā)產(chǎn)生能被計(jì)時芯片所測量的脈沖信號，記錄脈沖信號到達(dá)的時刻就可以得到超聲波形的傳播時間。此外，微處理器會設(shè)置中斷來統(tǒng)計(jì)過閾值的脈沖個數(shù)，作為甄別超聲信號質(zhì)量的因素。假定前面測量的是順流時間，得到順流傳播時間后通過時序控制模塊切換發(fā)射接收換能器功能再測量逆流時間，得到順逆流時間就可以通過公式計(jì)算出所測流體流速和流量。

本文主要研究內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)對信號質(zhì)量的精確判斷，這里就具體介紹實(shí)現(xiàn)信號質(zhì)量判斷的硬件組成電路，即閾值比較電路和觸發(fā)脈沖信號產(chǎn)生電路。

3.1 閾值比較電路

閾值比較電路中比較器選用的是AD8611芯片，其工作原理是當(dāng)輸入信號幅值高于參考電平的時候，輸出端Q輸出高電平，當(dāng)輸入信號小于參考電平的時候，輸出端Q輸出低電平。把超聲波信號輸入到IN+端口，IN－端口接上一個參考電平，那么就能夠輸出一串經(jīng)過比較器比較后的方波。

經(jīng)過閾值比較電路前后的超聲波形和方波波形圖如圖7所示。

圖7 比較器輸出波形與原始波形比較

方波的上升沿與下降沿的時間點(diǎn)就是后續(xù)高精度時間測量模塊需要測量的時間。

3.2 觸發(fā)脈沖信號產(chǎn)生電路

觸發(fā)脈沖信號產(chǎn)生電路如圖8所示，邊沿觸發(fā)器選用的是SN74LVC1G123芯片。Rext和Cext端口外接合適的電容和電阻選擇輸出脈寬的寬度。因?yàn)槌曅盘栴l率為1 MHz，為了使時間芯片準(zhǔn)確測量到邊沿觸發(fā)信號，邊沿觸發(fā)的脈寬必須小于500 ns，根據(jù)芯片手冊選擇 Cext=28 pF，Rext=2 kΩ，當(dāng) VCC為3.3 V時，此時輸出的脈寬為170 ns左右。

圖8 觸發(fā)脈沖信號產(chǎn)生電路

最后，觸發(fā)的脈沖信號通過或門SN741VC1G32芯片整合在一起。通過低閾值比較后的方波經(jīng)過邊沿觸發(fā)器以及或門的處理后，得到的波形如圖9所示:這樣就得到了測量時間所需要的脈沖波形，后續(xù)時間測量只需要將這個脈沖信號直接輸入到高精度測時芯片TDC－GP2的stop引腳即可。

圖9 邊沿觸發(fā)后的波形

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在40 mm口徑的管道上進(jìn)行，利用超聲波換能器和本系統(tǒng)的液體超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)不同流量點(diǎn)的流量測量并與標(biāo)定流量進(jìn)行了比較分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 流量測量數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知:流速在0.05～1 m/s之間測量誤差都保持在1%左右，并且在每個流速點(diǎn)重復(fù)性測量都在0.3%以內(nèi)。根據(jù)中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中熱量表的常用流量可知40 mm口徑的管道常用流量為10 m3/h，即0.556 m3/s，由表2可以看出在該流量點(diǎn)測量誤差在0.3%以內(nèi)，測量重復(fù)性為0.05%，大大提升了測量精度。

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)超聲波測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有信號質(zhì)量判斷機(jī)制的超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方案，并搭建了以430單片機(jī)為核心的硬件平臺。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明該設(shè)計(jì)成功地提高了超聲波流量計(jì)精度，具有可行性，并且隨著對信號質(zhì)量判斷方法的進(jìn)一步改進(jìn)，流量計(jì)的測量精度也會進(jìn)一步提高。

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