江境宏，劉桂雄，黃 堅(jiān)

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于離散時(shí)差檢測(cè)的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

江境宏，劉桂雄，黃 堅(jiān)

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

為縮小計(jì)數(shù)誤差、提高流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量精度，基于離散時(shí)差檢測(cè)提出一種無(wú)需信號(hào)預(yù)處理的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。首先，根據(jù)多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)原理，提出基于時(shí)差檢測(cè)的計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理；其次，根據(jù)流量計(jì)脈沖離散信號(hào)特性，推導(dǎo)得多工位脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式；最后，在具有4臺(tái)流量計(jì)的多工位流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置中實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)與工程應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：在脈沖信號(hào)周期穩(wěn)定的模擬試驗(yàn)中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計(jì)數(shù)誤差小于0.0077個(gè)，在工程應(yīng)用中，經(jīng)補(bǔ)償后脈沖計(jì)數(shù)誤差小于0.0432個(gè)。

流量計(jì)；脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償；多路不同步信號(hào)；離散時(shí)差

0 引 言

脈沖計(jì)數(shù)是測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域中廣泛使用的一種技術(shù)手段，以脈沖信號(hào)形式輸出的儀器儀表遍布工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，提高儀器儀表精度等級(jí)一直以來(lái)備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)精度提升方法主要有相位測(cè)量補(bǔ)償法、多周期同步法、時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（time to digital convert，TDC）方法。相位測(cè)量補(bǔ)償法將脈沖信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換為諧波，計(jì)算量較大[1]；廣州能源檢測(cè)研究院通過(guò)提取基波相位的方法，對(duì)3路不同步脈沖信號(hào)進(jìn)行精度補(bǔ)償，計(jì)數(shù)誤差小于0.06[2]；文獻(xiàn)[3]提出級(jí)聯(lián)自適應(yīng)陷波器，實(shí)現(xiàn)離線估計(jì)周期脈沖信號(hào)相位，對(duì)2路不同步脈沖信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，其脈沖計(jì)數(shù)誤差優(yōu)于±0.045個(gè)；Liu等[4]基于時(shí)間-頻率測(cè)量算法變換實(shí)現(xiàn)同步相位測(cè)量法，準(zhǔn)確獲取不同步采樣情況下電壓、電流的基波相量；多周期同步法通過(guò)同步被測(cè)信號(hào)和閘門信號(hào)消除被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)存在的±1計(jì)數(shù)誤差，但時(shí)基信號(hào)仍存在±1計(jì)數(shù)誤差，難以進(jìn)行多路測(cè)量[5]；張朋[6]提出基于時(shí)間戳計(jì)數(shù)與多周期同步的頻率瞬變測(cè)量算法，減小由時(shí)基信號(hào)±1計(jì)數(shù)誤差引入的測(cè)量誤差，提高計(jì)數(shù)精度。TDC通過(guò)設(shè)計(jì)電路測(cè)量時(shí)間殘基，提高時(shí)間測(cè)量精度，進(jìn)而提高脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)精度[7-8]，目前TDC時(shí)間測(cè)量精度已達(dá)皮秒級(jí)[9-12]。為實(shí)現(xiàn)多路不同步脈沖信號(hào)高精度計(jì)數(shù)、減小計(jì)算量，提出一種基于離散時(shí)差檢測(cè)的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)。

1 多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)

1.1 多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償機(jī)理

圖1為多路不同步脈沖與閘門信號(hào)波形圖，以閘門信號(hào)的上升沿為i路脈沖計(jì)數(shù)起止時(shí)刻，由于每路信號(hào)上升沿時(shí)刻與閘門起止脈沖上升沿時(shí)刻不重合，采用上升沿計(jì)數(shù)法得到測(cè)量值存在±1以內(nèi)計(jì)數(shù)誤差。

圖1 多路不同步脈沖與閘門信號(hào)波形圖

多路不同步脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償可通過(guò)測(cè)量起止時(shí)刻與相鄰脈沖上升沿時(shí)間差，計(jì)算補(bǔ)償計(jì)數(shù)值，減小計(jì)數(shù)誤差。

圖2 第i路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償示意圖

圖2為第i路脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償示意圖。設(shè)第i路信號(hào)在閘門起止時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到脈沖個(gè)數(shù)值為Nip、補(bǔ)償計(jì)數(shù)值為Nic，則在該時(shí)間段內(nèi)精確計(jì)數(shù)值Ni為

設(shè)閘門信號(hào)起止時(shí)刻分別為ts、te，其各自相鄰第i路脈沖上升沿出現(xiàn)時(shí)刻為ti0、ti1和ti2、ti3。則按上升沿計(jì)數(shù)，ts～ti1和 te～ti3時(shí)間段內(nèi)需補(bǔ)償脈沖個(gè)數(shù)nis、nie，有：

則第i路脈沖信號(hào)最終補(bǔ)償計(jì)數(shù)值Ni為

若能獲取閘門信號(hào)起止時(shí)刻ts、te及其各自相鄰第i路脈沖上升沿時(shí)刻ti0、ti1和ti2、ti3，由式（1）即可得到第i路信號(hào)補(bǔ)償后脈沖計(jì)數(shù)值Ni。

1.2 多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

目前計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)，較適合處理離散信號(hào)[13]，通常將模擬量經(jīng)由多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行計(jì)算[14]。圖3為圖1的多路不同步脈沖與閘門信號(hào)波形的離散形式。

對(duì)采集到的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)置上升沿穿越電平閾值為AT，則上升沿判定條件為

設(shè)g0（n）起止上升沿?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)分別為ns、ne，有：

記閘門起止信號(hào)相鄰第i路脈沖上升沿?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)分別為ni0、ni1和ni2、ni3，易知：

令數(shù)據(jù)采集卡各通道采樣周期為Tc，由數(shù)據(jù)采集卡采樣原理可知第i路計(jì)數(shù)補(bǔ)償值Nic為

則第i路脈沖計(jì)數(shù)值為Nip為

于是第i路脈沖信號(hào)最終補(bǔ)償計(jì)數(shù)值Ni為

則式（6）為多工位流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償?shù)碾x散形式，只需要獲取如圖3多路信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)補(bǔ)償。根據(jù)離散數(shù)據(jù)判定的上升沿時(shí)刻與原始信號(hào)上升沿時(shí)刻存在偏差，當(dāng)采樣頻率遠(yuǎn)大于原始信號(hào)頻率時(shí)，偏差遠(yuǎn)小于流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)周期，可忽略不計(jì)。

圖3 多路不同步脈沖與閘門數(shù)字信號(hào)

2 試 驗(yàn)

2.1 模擬試驗(yàn)

使用信號(hào)發(fā)生器生成脈沖信號(hào)，經(jīng)100分頻后，進(jìn)行計(jì)數(shù)與補(bǔ)償；則原始信號(hào)的1/100為脈沖計(jì)數(shù)實(shí)際值。圖4為脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償技術(shù)效果驗(yàn)證原理圖。

圖4 脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償技術(shù)效果驗(yàn)證原理圖

信號(hào)發(fā)生器使用Tektronix AFG2021-SC，以RC電路輸出5 V閘門信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡選用阿爾泰PCI8602（最高采樣頻率250kHz）。圖5為脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償算法流程圖。

圖5 脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償算法流程圖

在實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約100s、3路信號(hào)上升沿穿越電平閾值A(chǔ)T3V、數(shù)據(jù)采集卡單通道采樣頻率10000Hz的條件下，以信號(hào)發(fā)生器生成幅值4V、占空比為10%、頻率分別為20，60，100，200Hz的脈沖信號(hào)。表1為多次脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償模擬試驗(yàn)結(jié)果，可知沒(méi)有補(bǔ)償?shù)玫浇Y(jié)果計(jì)數(shù)誤差較大（±1以內(nèi)），補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于0.0077個(gè)，補(bǔ)償效果顯著。

2.2 工程應(yīng)用試驗(yàn)

研制的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置共設(shè)置4臺(tái)流量計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、被檢流量計(jì)各2臺(tái)），配置阿爾泰PCI8602型數(shù)據(jù)采集卡，接入4路流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)及換向裝置的1路閘門信號(hào)，實(shí)現(xiàn)4路脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)補(bǔ)償。

表1 脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償模擬試驗(yàn)結(jié)果

表2 脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償工程應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)分別在6.0，3.0 m3/h的不同流量下各進(jìn)行多次檢定試驗(yàn)，根據(jù)圖4，采集標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)、換向裝置輸出閘門信號(hào)，進(jìn)行計(jì)數(shù)補(bǔ)償驗(yàn)證效果。令A(yù)T=3V、數(shù)據(jù)采集卡各通道采樣頻率fc=40kHz，表2為脈沖計(jì)數(shù)補(bǔ)償工程應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，經(jīng)補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差顯著降低，在±0.043 2個(gè)以內(nèi)，補(bǔ)償效果理想。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）本文提出一種基于離散時(shí)差檢測(cè)的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償技術(shù)，信號(hào)無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理，即可實(shí)現(xiàn)多路不同步脈沖信號(hào)補(bǔ)償。

2）在具有4臺(tái)流量計(jì)的多工位流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置上，嵌入基于離散時(shí)差檢測(cè)的流量計(jì)不同步計(jì)數(shù)誤差補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)與工程應(yīng)用試驗(yàn)。在周期穩(wěn)定的脈沖信號(hào)中算法補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于0.0077個(gè)，在脈沖周期振蕩的工程應(yīng)用中，算法補(bǔ)償后計(jì)數(shù)誤差小于0.0432個(gè)。

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（編輯：劉楊）

Asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection

JIANG Jinghong，LIU Guixiong，HUANG Jian
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to reduce counting error and improve the measurement accuracy of flow device，an asynchronous counting error compensation technique for flowmeters based on discrete time difference detection which does not require preprocessing procedures is proposed.Firstly，according to the pulse counting principle of multichannel flowmeters，a counting error compensation technique is delivered based on discrete time difference detection.Then，the discrete form of pulse counting error compensation for multi-position is derived in view of the characteristic of pulse discrete signal of flowmeter.At last，engineering applications and simulation tests are conducted in a multi-station meter standard device with four flowmeters.The results show that，in the simulation tests of pulse signal with steady periodic，the pulse counting error after compensating is less than 0.0077，and in engineering applications，the pulse counting error after compensating is less than 0.0432.

flowmeter；pulse counting compensation；asynchronous signal；discrete time difference

A

：1674-5124（2017）01-0023-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.005

2016-08-15；

：2016-09-28

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A040403044）

江境宏（1992-），男，廣東揭陽(yáng)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)橹悄軅鞲屑夹g(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控。