超聲波流量計(jì)自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法研究

劉澤忠 徐 英 張 濤

(1.天津市過程檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

超聲波流量計(jì)具有不擾亂流場、無可動(dòng)部件、無壓力損失、測量精度高、性能穩(wěn)定可靠及測量范圍寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于流體流量的測量。超聲波流量計(jì)按測量原理分為時(shí)差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法及波普偏移法等，其中時(shí)差法應(yīng)用最廣泛。時(shí)差法超聲流量計(jì)的關(guān)鍵在于精確地測量超聲波在流體中順逆流傳播的時(shí)間差[1]。在實(shí)際的超聲波流量計(jì)中，發(fā)射信號一般是信噪比較高的方波，計(jì)時(shí)開始時(shí)刻容易確定；而接收信號時(shí)，由于超聲換能器的諧振特性并且超聲傳播過程中存在衰減和噪聲干擾，精確判斷接收信號的到達(dá)時(shí)刻比較困難，從而制約著測量精度的提高。

雙門限電平觸發(fā)法是一種確定信號到達(dá)時(shí)刻的檢測方法。雙門限電平觸發(fā)原理概括為“前沿檢測與特征點(diǎn)觸發(fā)定時(shí)”。在原理上，雙門限電平觸發(fā)法既消除了噪聲電平的影響，也消除了相位誤差。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)雙門限電平觸發(fā)法還存在著不足之處。由于衰減作用和流動(dòng)噪聲的干擾，特別是在進(jìn)行氣體流量測量時(shí)，接收信號的幅值波動(dòng)很大，雖然使用自動(dòng)增益控制電路(AGC)[2]可有效地壓縮信號幅值的波動(dòng)范圍，使信號基本保持穩(wěn)定，但是因?yàn)榻邮招盘柕陌j(luò)發(fā)生較大變化，而門限電平為固定電壓值，很易發(fā)生誤觸發(fā)。因此筆者提出一種測量接收信號的實(shí)際幅值對觸發(fā)電平進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法——自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法。

圖1為雙門限電平觸發(fā)法示意圖。該方法預(yù)先設(shè)定一個(gè)觸發(fā)電平，當(dāng)接收信號幅值達(dá)到此電平時(shí)給出觸發(fā)允許，當(dāng)信號到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)，作為信號的到達(dá)時(shí)刻。圖1中的特征點(diǎn)選為觸發(fā)點(diǎn)之后的第一負(fù)過零點(diǎn)。超聲傳播通道的衰減作用和噪聲干擾通常會(huì)造成超聲信號形狀畸變，故特征點(diǎn)一般選擇那些被認(rèn)為不易受波形變化影響的位置，如過零點(diǎn)或峰值點(diǎn)等，這樣可以避免因?yàn)樾盘柗底兓胂辔徽`差。圖1中發(fā)射信號為脈沖信號，接收信號為棗核形包絡(luò)的一簇正弦波信號，雙門限法的第一門限為觸發(fā)電平，作用是消除噪聲電平的影響[3]。第二門限為過零電平，與接收信號進(jìn)行比較，起到過零檢測的作用，可以有效地消除相位誤差，提高傳播時(shí)間測量的準(zhǔn)確性。

圖1 雙門限電平觸發(fā)法

自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法是跟隨接收信號包絡(luò)變化實(shí)時(shí)改變觸發(fā)電平的方法，可減少錯(cuò)波現(xiàn)象的發(fā)生。自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計(jì)算適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平。采用在兩個(gè)連續(xù)峰值之間取值的方法來計(jì)算觸發(fā)電平。這兩個(gè)連續(xù)峰值的選取基于以下兩個(gè)原則：能夠更有效地消除噪聲電平的影響；兩個(gè)峰值之間有較大電壓差值，并且在包絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)峰值電壓的幅度相對穩(wěn)定。通過進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在所檢測到的正弦波簇中，第二個(gè)和第三個(gè)峰值滿足條件。所以，首先需要測量這兩個(gè)峰值(目標(biāo)峰值)，然后才能通過計(jì)算得到適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平。

在設(shè)計(jì)中，使用峰值保持電路對信號進(jìn)行峰值保持，同時(shí)對峰值信號進(jìn)行高速AD采樣，然后在單片機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)峰值電壓。有兩種峰值保持電路，一種電路允許接收信號全部通過，稱為峰值保持電路1。接收信號經(jīng)過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò)頂點(diǎn)前的全部峰值信號，如圖2所示。在發(fā)射激勵(lì)脈沖信號后，開始對峰值保持電路1的信號進(jìn)行高速AD采樣，能夠獲得正弦波簇中最大峰值前的每個(gè)峰值的電壓值，即圖2中的Ua0～Ua7。另一種電路控制接收信號部分通過，稱為峰值保持電路2。接收信號經(jīng)過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò)最大值前的部分峰值信號，如圖3所示。在設(shè)計(jì)中，此電路使用了3個(gè)，分別用來保持接收信號中的連續(xù)3個(gè)峰值。在接收信號通過之后，對3個(gè)峰值保持電路2的信號依次進(jìn)行AD采樣，能夠分別獲得觸發(fā)電平后3個(gè)峰值的電壓值，即3中的Ub1、Ub2、Ub3。

圖2 峰值保持電路1的信號

a. Ub1為觸發(fā)電平后的峰值信號

b. Ub2為觸發(fā)電平后的峰值信號

c. Ub3為觸發(fā)電平后的峰值信號

在雙門限觸發(fā)法中，峰值保持電路采用的只是峰值保持電路1。這種方法在自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的使用中存在缺點(diǎn)，當(dāng)圖2中正弦波簇中的正弦波數(shù)量發(fā)生變化或者包絡(luò)最大值附近峰值幅度產(chǎn)生飽和時(shí)，在對信號進(jìn)行高速AD采樣得到的數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確找到目標(biāo)峰值比較困難。因此，為了在峰值保持電路1的信號采樣得到的數(shù)據(jù)中找到目標(biāo)峰值，增加了3路峰值保持電路2作為判斷依據(jù)。

每次接收信號經(jīng)過3路峰值保持電路2，能夠獲得圖3中峰值Ub1、Ub2、Ub3對應(yīng)的3個(gè)電壓值，同時(shí)，峰值保持電路1的信號中也包含這3個(gè)值。Ub1、Ub2、Ub3能夠?yàn)樵诜逯当３蛛娐?的信號中找到目標(biāo)峰值提供判斷依據(jù)。把Ub1、Ub2、Ub3對應(yīng)的電壓值與峰值保持電路1的信號高速AD采樣得到的數(shù)值進(jìn)行比對，就能在其中找到對應(yīng)的數(shù)值，其中圖3中的峰值Ub1、Ub2、Ub3即對應(yīng)圖2中目標(biāo)峰值2的電壓值Ua3、Ua4、Ua5，繼而在峰值保持電路1的信號AD采樣值中往前遞推找到目標(biāo)峰值1對應(yīng)的電壓值Ua2，這樣就找到了這兩個(gè)目標(biāo)峰值Ua2和Ua3。

找到兩個(gè)目標(biāo)峰值，通過加權(quán)平均法計(jì)算出觸發(fā)電平，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字電位器控制碼，控制數(shù)字電位器的阻值，根據(jù)電阻分壓的原理，對下一次測量時(shí)接收信號到來前的觸發(fā)電平進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持在兩個(gè)目標(biāo)峰值之間。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

超聲流量計(jì)測量系統(tǒng)主要包括微處理器模塊(MSP430F249)、計(jì)時(shí)模塊(TDC-GP21)、脈沖發(fā)射與切換模塊、接收切換與信號處理模塊、液晶顯示及存儲(chǔ)器等外圍模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。計(jì)時(shí)模塊所采用的高分辨率測時(shí)芯片TDC-GP21，測量精度可達(dá)22ps，保證了時(shí)間測量的精度要求。

圖4 超聲波流量計(jì)測量系統(tǒng)整體構(gòu)架

自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。通過脈沖發(fā)射與切換模塊輪流對換能器A和B發(fā)射激勵(lì)脈沖信號。

接收切換與信號處理模塊一方面負(fù)責(zé)將發(fā)射脈沖信號進(jìn)行降幅，使其通過接收電路，經(jīng)過邏輯處理后得到觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始工作的計(jì)時(shí)開始信號，另一方面負(fù)責(zé)輪流切換接收換能器A、B產(chǎn)生的接收信號，然后經(jīng)過放大、濾波、自增益控制得到峰峰值Vpp穩(wěn)定為約3V的信號。此信號經(jīng)過門限觸發(fā)、過零比較和邏輯處理得到觸發(fā)計(jì)時(shí)器停止工作的計(jì)時(shí)停止信號。峰值檢波模塊工作流程如圖6所示，接收信號同時(shí)經(jīng)過峰值保持電路1和2，對兩路峰值信號分別進(jìn)行AD采樣。單次測量完成后，在單片機(jī)內(nèi)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找到目標(biāo)峰值，計(jì)算出適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字電位器碼值。在下一次測量信號到來前，控制數(shù)字電位器，調(diào)整阻值，改變觸發(fā)電平。

圖5 自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的實(shí)現(xiàn)流程

圖6 峰值檢波模塊工作流程

為了保證程序穩(wěn)定運(yùn)行，在程序中限制觸發(fā)電平的變化范圍，并且加入判錯(cuò)波程序。限制觸發(fā)電平的范圍，可以在流速很大、信號變化很快的條件下時(shí)，保證觸發(fā)電平的位置在可控范圍內(nèi)，防止程序失控。判錯(cuò)波程序的思想是通過對門限電壓值和傳播時(shí)間值進(jìn)行分析，因?yàn)榱魉僮兓暧^上是連續(xù)、穩(wěn)定的，所以通過分析，可以對偏差大的錯(cuò)誤值進(jìn)行剔除。加入判錯(cuò)波程序可以保證程序正確運(yùn)行，保證流量準(zhǔn)確測量。

3 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

筆者使用可調(diào)壓中壓濕氣流量測量裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該裝置由羅茨風(fēng)機(jī)供氣，精確度為1%，流量范圍為10～280m3/h。在管道中串聯(lián)接入標(biāo)準(zhǔn)表和研發(fā)的DN50mm氣超聲流量表。標(biāo)準(zhǔn)表選用DN100mm渦輪流量計(jì)，標(biāo)定流速范圍為2～36m/s。流量計(jì)的各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)見表1、2。其中，表1為使用常規(guī)雙門限電平觸發(fā)法所測量的數(shù)據(jù)，表2為使用自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法所測量的數(shù)據(jù)。表中誤差的計(jì)算方法為：表中誤差=(被校表流量/標(biāo)準(zhǔn)表流量-1)×100。

表1 雙門限電平觸發(fā)法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對比兩表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法，流量計(jì)的測量精度基本達(dá)到±1%，重復(fù)性0.2%。該方法可以有效地解決因?yàn)榘j(luò)幅值發(fā)生變化造成錯(cuò)波的問題。

4 結(jié)束語

針對錯(cuò)波問題，對雙門限電平觸發(fā)法進(jìn)行改進(jìn)，提出了自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法。詳細(xì)闡述了自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的原理、具體實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)了峰值保持電路和自動(dòng)增益控制電路，通過兩者配合動(dòng)態(tài)確定比較電路的觸發(fā)閾值，并給出基于峰值判斷的錯(cuò)波修正方法，提高了測量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法能夠有效地解

決信號包絡(luò)發(fā)生變化造成易錯(cuò)波的問題。

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