具有信號質(zhì)量判斷機制的時差法超聲流量計

蘇 劍，李 斌，劉宇杰，劉振凱，聶志剛，丁旭冰，趙子峰

(1.上海大學機電工程與自動化學院，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，超聲波流量計由于其非接觸式、不受流體物理化學性質(zhì)影響的特點被廣泛應用［1］。對時差式超聲波流量計而言，精確地測量超聲波傳播的時間是提高測量精度的關鍵，而在當前測時芯片精度已經(jīng)達到ps級別的基礎上，要提高測時精度的關鍵就在于準確判斷超聲波形到達的時刻［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行時間測量之前先進行信號質(zhì)量判斷的超聲波流量計設計。

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算出流體的流速，也就可以計算出流體的流量［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，遠遠大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時間差為

相應地，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、具有鐘形包絡的脈沖信號，如圖2所示。

圖2 超聲回波波形圖

而在實際測量過程中，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，并不能真實反應流體的流速情況，將其計算在內(nèi)會影響測量精確度。所以這里引入了信號質(zhì)量判斷的機制［4］，所謂的信號質(zhì)量判斷機制，即首先選取一些指標作為決策標準，選定了決策標準后在測量過程中對每個獲得信號的指標進行判斷，滿足預設標準的信號繼續(xù)處理，否則丟棄。

1977年Eck［5］首次在接收機中引入了信號質(zhì)量判斷機制，如果信噪比達不到預設值，則產(chǎn)生一個標記信號，系統(tǒng)據(jù)此標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)展成為多決策標準和多處理技術(shù)的系統(tǒng)。

當把信號質(zhì)量判斷機制引入到超聲波流量計的信號處理上，可選擇的指標就變得很多元化，如Kobayashi等［6］就以信噪比、峰值變化率、順逆流峰值比等指標作為決策標準，滿足指標的信號繼續(xù)處理，否則丟棄;再如2006年的一項專利［7］中描述的測量系統(tǒng)在信噪比較高時用相關法，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t1，再采集接下來的2個過高閾值點t2和t5，以及2個過低閾值點t3和t4，一共采集5個點的時間。在采集這5個時間點的同時由系統(tǒng)記錄過高閾值電平的脈沖個數(shù)以便進行后續(xù)判斷。

圖3 雙閾值法示意圖

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

(1)根據(jù)獲得的5個時間點的順序，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。設定好閾值和回波峰值后，通過仿真將第二標準定為:

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)在通過標準(1)和(2)的基礎上設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

在得到上述判斷標準后，就可以依據(jù)此標準對實際測量信號在處理之前先進行判斷。由于實際測量中信號捕捉的瞬時性，很難在實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，因此運用仿真手段來觀察實際測量中可能出現(xiàn)的壞信號波形。在管道實際測量中，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)準則(1)可以篩選掉該信號。當?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?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)準則(2)來判斷，基于對準則(2)的選取比較粗略，可以認為這種情況滿足雙閾值電平比較法的判斷準則，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列出了實際測量中的部分數(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)從而減小實驗誤差。

表1 雙閾值法5個采集點時間 μs

3 系統(tǒng)設計

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行過閾值比較、邊沿觸發(fā)產(chǎn)生能被計時芯片所測量的脈沖信號，記錄脈沖信號到達的時刻就可以得到超聲波形的傳播時間。此外，微處理器會設置中斷來統(tǒng)計過閾值的脈沖個數(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算出所測流體流速和流量。

本文主要研究內(nèi)容是實現(xiàn)對信號質(zhì)量的精確判斷，這里就具體介紹實現(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。因為超聲信號頻率為1 MHz，為了使時間芯片準確測量到邊沿觸發(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 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 實驗驗證

試驗在40 mm口徑的管道上進行，利用超聲波換能器和本系統(tǒng)的液體超聲波流量計實現(xiàn)不同流量點的流量測量并與標定流量進行了比較分析，試驗數(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，并且在每個流速點重復性測量都在0.3%以內(nèi)。根據(jù)中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準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測量誤差在0.3%以內(nèi)，測量重復性為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)的基礎上，提出了一種具有信號質(zhì)量判斷機制的超聲波流量計設計方案，并搭建了以430單片機為核心的硬件平臺。通過試驗驗證表明該設計成功地提高了超聲波流量計精度，具有可行性，并且隨著對信號質(zhì)量判斷方法的進一步改進，流量計的測量精度也會進一步提高。

［1］馬立玲，郭坤，王軍政.液體超聲流量測量中的傳播時間精度分析.儀器儀表學報，2012，33(5):1028 －1034.

［2］陳建，孫曉穎，林琳，等.一種高精度超聲波到達時刻的檢測方法.儀器儀表學報，2012，33(11):2422 －2427.

［3］MENG H，WANG H，LI M W.High-precision flow measurement for an ultrasonic transit time flowmeter.2010 International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application.

［4］張濤，蒲誠，趙宇洋.傳播時間發(fā)超聲流量計信號處理技術(shù)進展述評.化工自動化及儀表，2009，36(4):1 －7.

［5］ECK C F.Acoustical flow meter:USA，4028938［P］.1977 －06 －14.

［6］KOBAYASHI T，SHIGETA K，F(xiàn)UJII T.Transit-time difference type ultrasonic flowmeter.USA，6647805［P］.2003 －11 －18.

［7］AO X S，KHRAKOVSKY O A，TILDEN J D.Method and system for calculating the transit time of an ultrasonic pulse:USA，7096135［P］.2006－08－22.

［8］WALLACE D R，KORBA J M，MATSON J E，et al.Intervalometer Time Measurement Apparatus and Methods:USA，4515021［P］.1985－05－07.

［9］陳潔，余詩詩，李斌，等.基于雙閾值比較法超聲波流量計信號處理.電子測量與儀器學報，2013，27(11):1024 －1033.