鄭丹丹, 付星熠, 楊志斌

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

抑制氣體超聲波流量計(jì)零點(diǎn)漂移的互易性電路設(shè)計(jì)*

鄭丹丹, 付星熠, 楊志斌

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

針對(duì)氣體超聲波流量計(jì)信號(hào)衰減嚴(yán)重、干擾較大的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種適用于氣體超聲波流量計(jì)的互易性收發(fā)電路,以消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象提高流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)表明：互易性測(cè)量系統(tǒng)顯著改善了流量計(jì)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題,并具有良好的測(cè)量穩(wěn)定性。

氣體超聲波流量計(jì)； 互易電路； 零點(diǎn)漂移； 電路設(shè)計(jì)

0 引 言

零點(diǎn)漂移現(xiàn)象不僅影響超聲波流量計(jì)(USMs)[1]測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性,更嚴(yán)重影響流量計(jì)在小流量時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確度。通過(guò)設(shè)計(jì)互易性收發(fā)電路,使超聲波測(cè)量系統(tǒng)工作在互易模式下是解決零點(diǎn)漂移問(wèn)題的有效途徑。根據(jù)電聲互易理論,若系統(tǒng)工作在互易模式下,則在零流速,順逆流接收信號(hào)的幅值和相位將會(huì)完全一致,故而系統(tǒng)的零點(diǎn)誤差和零點(diǎn)漂移也會(huì)被完全消除。1982年,Hemp J首先將電聲互易原理引入到超聲波流量計(jì)測(cè)量領(lǐng)域,并對(duì)其進(jìn)行了證明[2]。2002年,Van Deventer J等人指出在非互易性操作的情況下,換能器的參數(shù)的改變會(huì)造成零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[3]。2006年,Borg J等人設(shè)計(jì)了一種脈沖電流源的激勵(lì)電路,改善了流量計(jì)的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[4]。2007年,Lunde P等人通過(guò)理論計(jì)算給出了超聲波流量計(jì)互易性電路阻抗匹配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[5]。2013年,Bo Y等人設(shè)計(jì)了一種適用于液體超聲波流量計(jì)的互易性收發(fā)電路,有效地增強(qiáng)了順逆流接收信號(hào)的一致性[6]。

本文在首期研究基礎(chǔ)上首次將互易性電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用于氣體超聲波流量計(jì)中,設(shè)計(jì)了一種阻抗匹配的氣體超聲波流量計(jì)收發(fā)電路,實(shí)現(xiàn)了互易性氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)行了靜態(tài)下不同換能器的配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)。

1 互易性電路設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從發(fā)射電路和換能器直接連接的一級(jí)信號(hào)接收處理電路入手,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[7]。

1.1 發(fā)射電路

超聲波在氣體中的衰減比較嚴(yán)重,為了得到信噪比較高的接收信號(hào),就需要給換能器較大幅值的脈沖激勵(lì)。本文發(fā)射電路如圖1所示。在該電路中,T1為高頻變壓器,變比為1︰3,M1,M2,M3,M4為功率MOSFET,依次控制(M1,M3)和(M2,M4)兩組MOSFET導(dǎo)通即可通過(guò)推挽,在變壓器原邊得到峰峰值為30 V的方波信號(hào)。S為模擬開(kāi)關(guān),導(dǎo)通電阻值為RA,用以切換換能器。變壓器的使用將電路原本在變壓器原邊的等效阻抗換算到變壓器副邊后變?yōu)樵瓉?lái)的9倍。兩組MOSFET導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通阻值之和同為0.108 Ω。則變壓器副邊的等效阻抗為RM=9×0.108≈1 Ω。RS為匹配電阻器。因此,電路的等效阻抗ZS可由式(1)計(jì)算

ZS=RM+RA+RS

(1)

圖1 發(fā)射電路原理

1.2 接收電路

超聲波初級(jí)接收電路如圖2所示。主要由模擬切換開(kāi)關(guān)和電壓跟隨電路組成。接收電路中使用的模擬開(kāi)關(guān)與發(fā)射電路使用的模擬開(kāi)關(guān)相同,其導(dǎo)通阻值可以完全抵消。在電壓跟隨電路中,運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)足夠大,在分析電路時(shí)可以認(rèn)為,運(yùn)放兩輸入端的電位近似相等,流過(guò)運(yùn)放輸入端的電流近似為零。接收電路的等效阻抗就可以看成模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻值與匹配電阻RL的和,而與后序的放大處理等電路無(wú)關(guān)。即

ZL=RA+RL

(2)

對(duì)比式(1)可以發(fā)現(xiàn),只要設(shè)置合適的值使RS+RM與RL的值相等,即可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在一般情況下,RM不足1 Ω的阻值對(duì)結(jié)果的影響可以忽略,只要匹配合適的RS與RL的值使其相等即可實(shí)現(xiàn)理論上的阻抗匹配。

圖2 接收信號(hào)原理

2 電路實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。測(cè)量系統(tǒng)使用MSP430249作為處理器。接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大,自動(dòng)增益控制等將信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)大小,通過(guò)雙閾值法處理信號(hào),以特征過(guò)零點(diǎn)作為信號(hào)的到達(dá)時(shí)鐘。計(jì)時(shí)模塊采用高分辨率測(cè)時(shí)芯片TDC—GP21,測(cè)量精度可達(dá)22 ps,保證了時(shí)間測(cè)量的精度要求。測(cè)量系統(tǒng)還包括按鍵,液晶顯示,存儲(chǔ)器等外圍模塊。

流量計(jì)管節(jié)的內(nèi)徑為100 mm,2只超聲波換能器呈45°安裝于管節(jié)的兩側(cè)。系統(tǒng)通過(guò)RS—485通信實(shí)時(shí)測(cè)得的流量傳輸?shù)絇C端。在實(shí)際靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中使用了互易(系統(tǒng)1)和非互易(系統(tǒng)2)2套測(cè)量系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證互易電路設(shè)計(jì)的有效性。在系統(tǒng)1中,發(fā)射電路和接收電路均采用前文設(shè)計(jì)的電路,匹配阻值設(shè)置為RS=RL=2 kΩ。系統(tǒng)2使用的發(fā)射電路去掉了匹配電阻,即RS=0,在接收電路模塊,將換能器直接與一級(jí)放大電路相連接。其他模塊兩系統(tǒng)完全一致。測(cè)量系統(tǒng)使用4個(gè)頻率為125 kHz的方波作為激勵(lì)信號(hào)。分別進(jìn)行了換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證互易系統(tǒng)對(duì)零點(diǎn)問(wèn)題的改善。

圖3 超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)整體構(gòu)架

2.2 換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)

換能器的差異是產(chǎn)生零點(diǎn)誤差問(wèn)題的直接原因。圖4給出了在不同換能器配對(duì)的情況下,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2在室溫(20 ℃)下的靜態(tài)測(cè)量流速值。實(shí)驗(yàn)共使用了4個(gè)AT120系列的超聲換能器,故共產(chǎn)生6種不同的配對(duì)情況。分別記錄兩系統(tǒng)在使用6對(duì)不同換能器時(shí)的靜態(tài)測(cè)量值。每次記錄時(shí)間為6 min,測(cè)量結(jié)果通過(guò)RS—485通信實(shí)時(shí)傳到PC端,計(jì)算6 min的測(cè)量平均值作為最終的零點(diǎn)測(cè)量值。

圖4 換能器對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由圖4可以看出,在不同換能器配對(duì)的情況下,系統(tǒng)1的零點(diǎn)測(cè)量值較系統(tǒng)2的測(cè)量值小得多。系統(tǒng)1在不同配對(duì)情況下測(cè)得的零點(diǎn)流速均小于0.002 m/s。根據(jù)超聲流量計(jì)檢定規(guī)程JJG 1030—2007的規(guī)定[8],氣體超聲波流量計(jì)的零點(diǎn)誤差不能超過(guò)0.012 m/s,1級(jí)精度的氣體超聲波流量計(jì)在分界流量以下的測(cè)量誤差不能超過(guò)2 %。氣體超聲波流量計(jì)一般可以測(cè)量的最小流速為0.3 m/s,則在此流速下超聲波流量計(jì)的最大可允許測(cè)量誤差為±0.006 m/s。實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)1的零點(diǎn)測(cè)量誤差值小于流量計(jì)的最大可允許測(cè)量誤差,滿足測(cè)量的精度要求。

2.3 溫度實(shí)驗(yàn)

溫度是在超聲波流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中影響換能器性能的重要因素,也是造成零點(diǎn)漂移問(wèn)題的原因之一。圖5給出了在不同溫度下,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同一對(duì)換能器在靜態(tài)下的測(cè)量流速值。在該實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同樣的管節(jié)和同一對(duì)已經(jīng)配對(duì)的換能器,測(cè)量管節(jié)被放置在恒溫箱中,通過(guò)改變溫箱的設(shè)定溫度來(lái)改變管節(jié)所處的溫度。待溫度穩(wěn)定后,分別記錄兩系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量值,記錄方法與前述實(shí)驗(yàn)相同。

圖5 溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由圖5可得：在不同溫度下,系統(tǒng)1測(cè)量值的變化范圍為-0.002 6～0.000 1 m/s,系統(tǒng)2測(cè)量值的變化范圍為-0.002 6～0.003 3 m/s。系統(tǒng)1測(cè)量值的變化范圍較系統(tǒng)2小了1倍,說(shuō)明系統(tǒng)1對(duì)于溫度漂移問(wèn)題具有抑制性。在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi),系統(tǒng)1零點(diǎn)測(cè)量值的溫漂變化范圍同樣小于最大可允許測(cè)量誤差,滿足測(cè)量的精度要求。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種阻抗匹配的收發(fā)電路,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)的互易性。進(jìn)行了實(shí)際的換能器配對(duì)實(shí)驗(yàn)和溫度實(shí)驗(yàn),在人為改變流量計(jì)所使用的換能器性能和流量計(jì)所處溫度的情況下,互易性系統(tǒng)的零點(diǎn)測(cè)量誤差均小于0.003 m/s。完全滿足超聲流量計(jì)檢定規(guī)程JJG 1030—2007的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的有效性,體現(xiàn)出互易性超聲流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于零點(diǎn)誤差和零點(diǎn)漂移問(wèn)題的抑制性。

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Designofreciprocitycircuitrestrainingzerodriftofgasultrasonicflowmeter*

ZHENG Dan-dan, FU Xing-yi, YANG Zhi-bin

(TianjinKeyLaboratoryofProcessMeasurementandControl,SchoolofElectricalEngineering&Automation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

The ultrasonic signal decays severely and can be easily affected by noise during the propagation in gas.Considering these factors,reciprocal electronic circuits for gas ultrasonic flow meter are designed.Two experiments are carried out to test the reciprocal circuits,including transducers paired experiment and temperature test.It is verified that the reciprocal circuits can improve the measurement accuracy and stability for gas ultrasonic flow meter.

gas ultrasonic flowmeter; reciprocity circuit; zero drift; circuit design

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0112—02

TH 814

A

1000—9787(2017)12—0112—02

2016—10—27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61671317,61101227);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(13JCQNJC03300)

鄭丹丹(1981-),女,博士,副教授,從事超聲流量檢測(cè)工作,E-mail：zhengdandan@tju.edu.cn。