多通道超聲波氣體流量計(jì)的研制

吳志敏，蘇滿紅，鐘江生

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳　518055)

0　引言

在天然氣、煤氣和其他氣體輸送工程中，經(jīng)常面臨大管徑、高流速管道氣體的流量測量和分配計(jì)量問題。為了保證氣體流量的測量精度，國際上普遍采用多通道的超聲波氣體流量計(jì)[1]。現(xiàn)有超聲波氣體流量計(jì)，大多數(shù)采用單片機(jī)及多處理器組合作為核心處理器件[2]，其核心信號處理通常由多塊電路板完成，電路構(gòu)架形式復(fù)雜，運(yùn)算和處理能力難以達(dá)到多個(gè)通道實(shí)時(shí)信號處理的要求。文中采用可編程片上系統(tǒng)SOPC作為核心電路架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種多通道超聲波氣體流量計(jì)，除外置模擬電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號接口外，其系統(tǒng)控制、數(shù)字信號處理及必要的時(shí)序產(chǎn)生全部都設(shè)計(jì)在一片大容量FPGA芯片中。

1　測量原理

多通道超聲波氣體流量計(jì)中，聲學(xué)通道的布置方式有直射式、一次反射式、二次反射式或多次反射式等基本結(jié)構(gòu)形式[3]，每種方式可根據(jù)實(shí)際測量需要設(shè)置不同的通道數(shù)量，并可以進(jìn)行組合配置，保證往復(fù)于探頭之間的超聲波信號分布在氣體輸送管道的不同層面上，更加準(zhǔn)確地反映氣體的流速分布情況。不同通道數(shù)目的超聲波氣體流量計(jì)，在單個(gè)通道上測流原理是一致的。在測量管段的每個(gè)通道內(nèi)，超聲換能器A和B交替發(fā)射和接收超聲波，通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的時(shí)間差，可計(jì)算出沿該通道聲波路徑上不同流層氣體的軸向速度平均分布。同時(shí)，綜合對各個(gè)通道流層測量流速進(jìn)行加權(quán)積分求和，可計(jì)算出整個(gè)管道瞬時(shí)流速和體積流量。

如圖1所示，圖1(a)和圖1(b)分別是超聲波氣體流量計(jì)直射式和一次反射式通道結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)

(b)

假設(shè)可收發(fā)式換能器A和B間的通道長度為L，超聲傳播方向與軸線之間夾角為θ，超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速為c，管道直徑為D，則當(dāng)管道內(nèi)氣體流速為v時(shí)，該通道超聲波沿氣流順向和逆向傳播的時(shí)間分別為:

(1)

(2)

式中：tAB、tBA分別為超聲波順向傳播和逆向傳播的聲時(shí)；τ1、τ2分別為超聲波順向傳播和逆向傳播時(shí)電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的聲延時(shí)。

由此可得到該聲道上氣體的線平均流速為：

(3)

(4)

式中：kci為第i個(gè)通道的加權(quán)積分系數(shù)(流場校正因子)；n為流量計(jì)通道總數(shù)。

由測得的管道氣體流速可以得到工況條件下氣體的瞬時(shí)流量，換算成標(biāo)準(zhǔn)工況下的氣體流量Q可表示為：

(5)

式中：K為修正系數(shù)(通過標(biāo)定獲得的儀表系數(shù))；p、T、Z分別為管道中實(shí)測工況條件下氣體的壓力、溫度和壓縮因子；p0、T0、Z0分別為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的壓力、溫度和壓縮因子。

氣體流量測量中，由于氣體的黏性系數(shù)較小，一般處于湍流狀態(tài)，而湍流狀態(tài)在整個(gè)管道中分布流態(tài)很復(fù)雜，常存在軸向速度分布、旋向速度分布、徑向速度分布的不均勻性和畸變情況。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波順逆流傳播時(shí)差的精度往往要達(dá)到ns量級甚至亞ns量級，因此，多通道測量方式和時(shí)差測量精度是氣體流量計(jì)測量精度的關(guān)鍵。

2　超聲波氣體流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多通道超聲波氣體流量計(jì)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括超聲波驅(qū)動(dòng)與信號調(diào)理電路,壓力、溫度信號采集電路、FPGA片上系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口電路4個(gè)部分。超聲波驅(qū)動(dòng)與信號調(diào)理電路分為4組，每一組由功率放大模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換與通道切換模塊、AGC放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等部分構(gòu)成。FPGA片上系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、數(shù)字濾波模塊、相關(guān)運(yùn)算模塊、流速計(jì)算模塊、流量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)通信控制模塊和人機(jī)交互控制等模塊，各部分全部集成在一個(gè)FPGA單片上，是氣體流量計(jì)系統(tǒng)控制與流量分析的核心電路。壓力、溫度信號采集電路主要由溫度和壓力的A/D轉(zhuǎn)換、濾波與信號調(diào)理部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)接口電路則主要由開關(guān)量輸出模塊、GPRS及以太網(wǎng)輸出模塊、4～20 mA電流輸出模塊、0～5 V電壓輸出模塊、頻率/脈沖信號輸出模塊、TFT觸摸屏及其他功能擴(kuò)展電路模塊組成。

圖2　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)該指出，測量管段每個(gè)超聲傳輸通道配備A、B一對收發(fā)復(fù)合式超聲換能器探頭，而每個(gè)通道流速測量單元可以分時(shí)處理2個(gè)通道的測量工作。因此，該設(shè)計(jì)硬件電路中4組通道流速測量單元可以處理8通道或以下數(shù)目的通道信號，各組之間在FPGA邏輯控制下可并行開展工作，需要時(shí)可以根據(jù)通道數(shù)目增加通道流速測量單元數(shù)量，方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展升級。

2．2功率放大與超聲驅(qū)動(dòng)電路

超聲信號的發(fā)射電路也稱超聲驅(qū)動(dòng)電路，其作用是產(chǎn)生一個(gè)具有一定輸出功率和一定頻率的超聲電脈沖去激勵(lì)發(fā)射換能器，由換能器轉(zhuǎn)換為超聲波向外發(fā)射[4]。如圖3 所示，F(xiàn)PGA的脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生用于發(fā)射的200 kHz的順流和逆流脈沖信號，該信號為TTL電平的脈沖群，不足以直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。功率放大模塊由一個(gè)高速晶體管Q1/Q2、2個(gè)達(dá)林頓管Q3/Q5和Q4/Q6構(gòu)成的推挽電路構(gòu)成，它把經(jīng)功率放大后的電壓加在脈沖變壓器T1/T2的初級線圈上，經(jīng)過變壓器的升壓，通過(UP+，UP-)和(DN+，DN-)端，把600 Vpp左右的高壓加在換能器上，以足夠的功率驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波。同時(shí)，變壓器和二極管還對換能器探頭接收端超聲信號起隔離保護(hù)作用，提高信號接收靈敏度。這里，變壓器初級次級匝數(shù)比為1∶40。

圖3　超聲驅(qū)動(dòng)與輸入隔離電路

2．3接收轉(zhuǎn)換與通道切換電路

圖4為超聲波通道與接收切換電路示意圖。設(shè)計(jì)中，采用3個(gè)MAX4632雙路模擬開關(guān)，分別完成1個(gè)測量單元內(nèi)2個(gè)通道之間、第一通道順流和逆流之間和第二通道順流和逆流之間的接收信號的切換，通過COM1和COM2端口把輸入信號傳輸?shù)紸GC模塊等后續(xù)的調(diào)理、控制電路進(jìn)行處理。

圖4　通道與接收切換電路

2．4信號放大與調(diào)理電路

探頭接收到的超聲波信號非常微弱并且受工況影響干擾嚴(yán)重，幅值變化很大，所以要經(jīng)過信號放大和調(diào)理電路整理。圖5為采用的通道前置放大電路，用低噪聲的高速運(yùn)算放大器MAX436差模輸入，IOUT單端輸出，保證足夠高的增益帶寬積，滿足高頻信號處理要求。

圖5　通道前置放大電路

圖6是信號的AGC放大模塊，將對輸入信號進(jìn)行調(diào)理，通過硬件選頻電路對信號進(jìn)行濾波，并通過自動(dòng)增益控制放大電路將信號放大到合適值，保證后續(xù)數(shù)據(jù)采集的最佳工作狀態(tài)。

圖6　輸入信號的AGC放大電路

2．5數(shù)據(jù)采集電路

圖7是信號的A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集電路。信號進(jìn)行調(diào)理后，利用每個(gè)通道中的ADS807模塊做A/D轉(zhuǎn)換，將調(diào)理好的超聲信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并用FPGA中數(shù)字濾波模塊進(jìn)一步對信號進(jìn)行55級的FIR帶通濾波，最大程度上提取有用信號。

圖7　數(shù)據(jù)采集電路

3　FPGA流量測量片上系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

超聲波氣體流量計(jì)中FPGA片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用第三代颶風(fēng)產(chǎn)品EP3C55，采用Quartus II軟件進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)部資源豐富，性價(jià)比高，系統(tǒng)工作頻率為80 MHz，A/D轉(zhuǎn)換采樣速度為40 MHz．若選用更大容量的EP3C80或EP3C120，可以處理更多通道數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)能力。

如圖2所示，在必要的電源管理、控制板時(shí)鐘及配置電路支持下，F(xiàn)PGA芯片利用內(nèi)部可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、豐富的布線資源和內(nèi)嵌的底層功能單元，承擔(dān)了系統(tǒng)核心處理功能。FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的功能包括3類：

(1)系統(tǒng)控制功能，主要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，包括整個(gè)過程的數(shù)字邏輯控制和時(shí)序控制，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性和整個(gè)系統(tǒng)正常工作；

(2)DSP處理功能，主要利用內(nèi)嵌的高速DSP單元，同步對各通道脈沖信號進(jìn)行信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、時(shí)差相關(guān)算法運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出各通道時(shí)差值和流速分布；

(3)嵌入式MCU功能塊：一方面綜合多個(gè)通道時(shí)差計(jì)算結(jié)果，依據(jù)多通道氣體流量模型，結(jié)合氣體溫度、壓力條件和氣體方程，計(jì)算出準(zhǔn)確的氣體流量數(shù)據(jù)，獲得各種分析處理結(jié)果；另一方面，提供數(shù)據(jù)通信控制和人機(jī)交互控制功能，與外圍數(shù)據(jù)接口電路和功能擴(kuò)展電路配合，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量報(bào)警輸出，4～20 mA電流信號，0～5 V電壓信號、頻率/脈沖信號等多種方式的輸出。

同時(shí)，采用TFT觸摸屏作為人機(jī)界面設(shè)置參數(shù)及顯示測量狀態(tài)和結(jié)果，將各種運(yùn)行狀況參數(shù)、現(xiàn)場顯示溫度、壓力、實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)和自診斷信息在TFT觸摸屏上輸出顯示。此外，利用GPRS及以太網(wǎng)輸出模塊，可提供信息的網(wǎng)絡(luò)上傳與網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

為了提高分辨率，采用了改進(jìn)的相關(guān)時(shí)差算法[5]，通過移動(dòng)插值方法提高采樣速率，時(shí)間分辨率可以提高到1．25 ns；然后再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理，通過峰值移動(dòng)檢測大大提高了超聲波氣體流量計(jì)的精度和準(zhǔn)確度。

4　結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于SOPC的多通道超聲波氣體流量計(jì)是一種新型智能化儀表，功耗低、處理能力強(qiáng)、人機(jī)接口豐富、剪裁升級潛力大，并可以方便地將功能模塊移植到其他氣體流量相關(guān)的應(yīng)用場所，從而有可能使氣體流量計(jì)在規(guī)模、可靠性、功耗、功能、性能指標(biāo)、開發(fā)周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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[5]蘇滿紅，吳志敏，葉瑋淵．一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)及其簡化算法．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，(4)：53-55．