抑制氣體超聲波流量計零點漂移的互易性電路設(shè)計*

鄭丹丹, 付星熠, 楊志斌

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 天津市過程檢測與控制重點實驗室,天津 300072)

抑制氣體超聲波流量計零點漂移的互易性電路設(shè)計*

鄭丹丹, 付星熠, 楊志斌

(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院天津市過程檢測與控制重點實驗室,天津300072)

針對氣體超聲波流量計信號衰減嚴重、干擾較大的問題,設(shè)計了一種適用于氣體超聲波流量計的互易性收發(fā)電路,以消除零點漂移現(xiàn)象提高流量計的測量準確度。換能器配對實驗和溫度實驗表明：互易性測量系統(tǒng)顯著改善了流量計的零點漂移問題,并具有良好的測量穩(wěn)定性。

氣體超聲波流量計； 互易電路； 零點漂移； 電路設(shè)計

0 引 言

零點漂移現(xiàn)象不僅影響超聲波流量計(USMs)[1]測量結(jié)果的穩(wěn)定性,更嚴重影響流量計在小流量時測量準確度。通過設(shè)計互易性收發(fā)電路,使超聲波測量系統(tǒng)工作在互易模式下是解決零點漂移問題的有效途徑。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,順逆流接收信號的幅值和相位將會完全一致,故而系統(tǒng)的零點誤差和零點漂移也會被完全消除。1982年,Hemp J首先將電聲互易原理引入到超聲波流量計測量領(lǐng)域,并對其進行了證明[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)的改變會造成零點漂移現(xiàn)象[3]。2006年,Borg J等人設(shè)計了一種脈沖電流源的激勵電路,改善了流量計的零點漂移現(xiàn)象[4]。2007年,Lunde P等人通過理論計算給出了超聲波流量計互易性電路阻抗匹配的設(shè)計準則[5]。2013年,Bo Y等人設(shè)計了一種適用于液體超聲波流量計的互易性收發(fā)電路,有效地增強了順逆流接收信號的一致性[6]。

本文在首期研究基礎(chǔ)上首次將互易性電路的設(shè)計應(yīng)用于氣體超聲波流量計中,設(shè)計了一種阻抗匹配的氣體超聲波流量計收發(fā)電路,實現(xiàn)了互易性氣體超聲波流量計測量系統(tǒng),進行了靜態(tài)下不同換能器的配對實驗和溫度實驗。

1 互易性電路設(shè)計

電路的設(shè)計應(yīng)當從發(fā)射電路和換能器直接連接的一級信號接收處理電路入手,實現(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重,為了得到信噪比較高的接收信號,就需要給換能器較大幅值的脈沖激勵。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)通即可通過推挽,在變壓器原邊得到峰峰值為30 V的方波信號。S為模擬開關(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)樵瓉淼?倍。兩組MOSFET導(dǎo)通時的導(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

超聲波初級接收電路如圖2所示。主要由模擬切換開關(guān)和電壓跟隨電路組成。接收電路中使用的模擬開關(guān)與發(fā)射電路使用的模擬開關(guān)相同,其導(dǎo)通阻值可以完全抵消。在電壓跟隨電路中,運算放大器的放大倍數(shù)足夠大,在分析電路時可以認為,運放兩輸入端的電位近似相等,流過運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關(guān)。即

ZL=RA+RL

(2)

對比式(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,即可實現(xiàn)阻抗匹配。在一般情況下,RM不足1 Ω的阻值對結(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現(xiàn)理論上的阻抗匹配。

圖2 接收信號原理

2 電路實現(xiàn)和實驗結(jié)果

2.1 實驗測量系統(tǒng)

超聲波流量計測量系統(tǒng)如圖3所示。測量系統(tǒng)使用MSP430249作為處理器。接收到的超聲波信號經(jīng)過放大,自動增益控制等將信號放大到標準大小,通過雙閾值法處理信號,以特征過零點作為信號的到達時鐘。計時模塊采用高分辨率測時芯片TDC—GP21,測量精度可達22 ps,保證了時間測量的精度要求。測量系統(tǒng)還包括按鍵,液晶顯示,存儲器等外圍模塊。

流量計管節(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RS—485通信實時測得的流量傳輸?shù)絇C端。在實際靜態(tài)實驗中使用了互易(系統(tǒng)1)和非互易(系統(tǒng)2)2套測量系統(tǒng)來驗證互易電路設(shè)計的有效性。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放大電路相連接。其他模塊兩系統(tǒng)完全一致。測量系統(tǒng)使用4個頻率為125 kHz的方波作為激勵信號。分別進行了換能器配對實驗和溫度實驗以驗證互易系統(tǒng)對零點問題的改善。

圖3 超聲波流量計測量系統(tǒng)整體構(gòu)架

2.2 換能器配對實驗

換能器的差異是產(chǎn)生零點誤差問題的直接原因。圖4給出了在不同換能器配對的情況下,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2在室溫(20 ℃)下的靜態(tài)測量流速值。實驗共使用了4個AT120系列的超聲換能器,故共產(chǎn)生6種不同的配對情況。分別記錄兩系統(tǒng)在使用6對不同換能器時的靜態(tài)測量值。每次記錄時間為6 min,測量結(jié)果通過RS—485通信實時傳到PC端,計算6 min的測量平均值作為最終的零點測量值。

圖4 換能器對比實驗測量結(jié)果

由圖4可以看出,在不同換能器配對的情況下,系統(tǒng)1的零點測量值較系統(tǒng)2的測量值小得多。系統(tǒng)1在不同配對情況下測得的零點流速均小于0.002 m/s。根據(jù)超聲流量計檢定規(guī)程JJG 1030—2007的規(guī)定[8],氣體超聲波流量計的零點誤差不能超過0.012 m/s,1級精度的氣體超聲波流量計在分界流量以下的測量誤差不能超過2 %。氣體超聲波流量計一般可以測量的最小流速為0.3 m/s,則在此流速下超聲波流量計的最大可允許測量誤差為±0.006 m/s。實驗中,系統(tǒng)1的零點測量誤差值小于流量計的最大可允許測量誤差,滿足測量的精度要求。

2.3 溫度實驗

溫度是在超聲波流量計的實際應(yīng)用中影響換能器性能的重要因素,也是造成零點漂移問題的原因之一。圖5給出了在不同溫度下,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同一對換能器在靜態(tài)下的測量流速值。在該實驗中,系統(tǒng)1和系統(tǒng)2使用同樣的管節(jié)和同一對已經(jīng)配對的換能器,測量管節(jié)被放置在恒溫箱中,通過改變溫箱的設(shè)定溫度來改變管節(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)測量值,記錄方法與前述實驗相同。

圖5 溫度實驗測量結(jié)果

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

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種阻抗匹配的收發(fā)電路,實現(xiàn)了測量系統(tǒng)的互易性。進行了實際的換能器配對實驗和溫度實驗,在人為改變流量計所使用的換能器性能和流量計所處溫度的情況下,互易性系統(tǒng)的零點測量誤差均小于0.003 m/s。完全滿足超聲流量計檢定規(guī)程JJG 1030—2007的要求。實驗結(jié)果驗證了電路設(shè)計的有效性,體現(xiàn)出互易性超聲流量計測量系統(tǒng)對于零點誤差和零點漂移問題的抑制性。

[1] 陳 玲.新型流量測量儀表的應(yīng)用和發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(6):8-11.

[2] Hemp J.Theory of transit time ultrasonic flowmeters[J].Journal of Sound and Vibration,1982,84(1):133-147.

[3] Van Deventer J,Delsing J.Apparent transducer non-reciprocity in an ultrasonic flowmeter[J].Ultrasonics,2002,40(1):403-405.

[4] Borg J,Johansson J,Van Deventer J,et al.3J—3 reciprocal operation of ultrasonic transducers:Experimental results[C]∥2006 IEEE Ultrasonics Symposium,IEEE,2006:1013-1016.

[5] Lunde P,Vestrheim M,Bo R,et al.5d—4 reciprocal operation of ultrasonic flowmeters:Criteria and applications[C]∥2007 IEEE Ultrasonics Symposium,IEEE,2007:381-386.

[6] Bo Y,Li C.Electronic circuit design for reciprocal operation of transit-time ultrasonic flowmeters[J].Flow Measurement and Instrumentation,2013,32:5-13.

[7] 李文博,袁 濤.超聲波流量計靜水時差溫度漂移的解決方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(12):52-54.

[8] 2007 J J G.超聲流量計:中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 [S].2007.

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

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

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