一種低功耗自診斷雙閾值超聲波傳播時間檢測法

毛 凱，胡 亮，付 新

(浙江大學，流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江杭州 310027)

0 引言

超聲波流量計作為一種新型的流量計，與傳統(tǒng)的渦街流量計、羅茨流量計、渦輪流量計相比，具有量程比寬、壓力損失小，測量精度高、無可動部件、維護成本低等優(yōu)點，近來被廣泛應(yīng)用于天然氣行業(yè)，用于檢測管道天然氣的流量，實現(xiàn)準確公平的貿(mào)易計量[1-3]。

超聲波流量計根據(jù)不同的測量原理可分為相關(guān)法、波束偏移法、多普勒法、噪聲法和時差法[4-5]。由于時差法在保證較高測量精度的前提下，具有功耗低、靈敏度高、算法簡單、數(shù)據(jù)處理量小、無需對測量介質(zhì)添加任何顆粒物等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于超聲波流量計中。時差法通過檢測超聲波信號順流傳播時間值與逆流傳播時間值，獲取其時間差來計算被測介質(zhì)的流速或流量，因此準確檢測超聲波信號的順、逆流傳播時間值是時差法超聲波流量計的關(guān)鍵[6-8]。

在時差法超聲波流量計中，通常使用閾值法來檢測超聲波信號在被測介質(zhì)中的傳播時間值。當超聲波信號幅值發(fā)生變化時，容易使閾值觸發(fā)在超聲波信號的不同上升沿，而非始終是觸發(fā)在同一個上升沿，導致測量得到的超聲波信號傳播時間值相差約為其信號周期的整數(shù)倍，此現(xiàn)象稱之為跳波[9]。因此，在實際使用中，要準確獲取超聲波信號的傳播時間值，關(guān)鍵在于解決由于溫度變化、壓力變化以及介質(zhì)變化引起的跳波問題。通常有兩種思路來解決或者抑制跳波問題，一種思路是通過超聲波信號的整體特征來準確判斷超聲波信號的起振點，如L.Angrisani[10-11]、Z. J. Yao[12]等，提出用離散卡爾曼濾波算法、無跡卡爾曼濾波算法、多平方根無跡卡爾曼濾波算法來降低超聲波信號起始點波形扭曲帶來的影響，以提高超聲波信號起始點的識別精度；為了進一步提高超聲波接收信號起始點的檢測精度和縮短計算時間，F(xiàn). Zhou[13]、H. Hou[14]、Z. Fang[15]等提出了蟻群算法、遺傳蟻群優(yōu)化算法和人工魚群-粒子群優(yōu)化算法。上述識別超聲波信號起始點的方法，都采用了非常復雜的算法，對硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都有較高的要求，功耗較大。所以，另一種思路是通過超聲波信號的局部幅值或者相位特征來解決或者抑制跳波問題，如汪偉[16]等基于閾值比例系數(shù)基本不變的前提，提出了可調(diào)閾值法，Y. Huang[17]等提出相位調(diào)制法，張興紅[18]等提出了最大幅值識別法，Z. H. Fang[9]，陳潔[19]等提出了雙閾值法，但上述方法均屬于實驗統(tǒng)計法，要求樣本量較大。

因此，為了在低功耗前提下提升超聲波流量計的測量上限，測量可靠性、信息化水平、智能化水平等，提出了一種低功耗自診斷雙閾值超聲波傳播時間檢測法。與傳統(tǒng)單閾值檢測方法比較，不僅保留了低功耗的特點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)跳波方向的判斷和數(shù)量的統(tǒng)計，從而進行自我診斷，優(yōu)化信號，提高測量可靠性，提升測量上限，拓寬量程比。另外還能夠提供產(chǎn)品性能變化趨勢，實時預(yù)警，監(jiān)控介質(zhì)特性的變化和產(chǎn)品性能的變化，使得產(chǎn)品的售后服務(wù)、維修等更快捷方便。

1 方法

1.1 傳統(tǒng)閾值法的跳波問題

如圖1所示，時差法超聲波流量計是通過安裝在測量管上、下游的換能器T1和T2，發(fā)射和接收超聲波信號來獲取其在介質(zhì)中的傳播時間，然后根據(jù)上述傳播時間差值來計算介質(zhì)的流速或者流量。

圖1 時差法測量原理

圖1中D為被測管道的內(nèi)徑，L為超聲波信號傳播距離，θ為換能器的安裝夾角，v為被測介質(zhì)的平均流速，c為超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度。超聲波信號順流傳播時間表征值t順流與逆流傳播時間表征值t逆流以及被測介質(zhì)的平均流速可分別由式(1)、式(2)和式(3)計算得到[6-8]。

(1)

(2)

(3)

根據(jù)圖1所示的測量原理，時差法超聲波流量計能夠?qū)崿F(xiàn)可靠測量的關(guān)鍵是可靠獲取超聲波信號在被測介質(zhì)中的傳播時間。在實際應(yīng)用中，為了方便室外安裝維護，通常需采用內(nèi)置電池供電，因此普遍采用單閾值比較法來獲取上述傳播時間。如圖2所示，當超聲波信號幅值第一次越過閾值時，使能計時芯片，然后通過捕獲隨后的過零點Z1、Z2、Z3來作為超聲波信號在被測介質(zhì)中的傳播時間。由于硬件和數(shù)據(jù)處理帶來的固定延遲相比于超聲波信號在被測介質(zhì)中的傳播時間比較小，又在式(3)的分子項中可以消除，只對分母有略微影響，所以可采用t順流和t逆流來近似計算流速v。

圖2 單閾值法測量原理

單閾值法方法簡單，功耗低，但顯然容易受到超聲波信號幅值變化的影響。當超聲波信號因溫度、壓力或者介質(zhì)變化導致幅值發(fā)生如圖3所示的變化時，使能計時芯片的觸發(fā)點由原來的D2變成D3，向后跳躍了一個周期，就發(fā)生跳波現(xiàn)象。

圖3 超聲波信號幅值變化導致跳波

通常，為了解決上述跳波問題，采用可調(diào)閾值法[16]。可調(diào)閾值法通過對超聲波信號的采樣，實現(xiàn)對幅值的實時跟蹤，并根據(jù)其最大幅值來調(diào)整閾值大小，以抑制跳波現(xiàn)象的產(chǎn)生。顯然，可調(diào)閾值法的關(guān)鍵參數(shù)是閾值比例系數(shù)TFS，其值可以由式(4)近似獲得：

(4)

式中：TFSi+1為觸發(fā)在超聲波信號第i個波上升沿的閾值比例系數(shù)；Vi為超聲波信號第i個波峰的幅值；i正整數(shù)；Vmax為超聲波信號的最大幅值。

由于TFS的獲取通?；趯嶒灲y(tǒng)計，所以樣本量的大小，實驗環(huán)境差異，都會對實際使用產(chǎn)生一定的影響，而且一旦發(fā)生跳波，流量計本身不能自動診斷，進行修正，測量結(jié)果將具有很大的不確定。

1.2 低功耗自診斷雙閾值法

低功耗自診斷雙閾值法在上述可調(diào)單閾值法的基礎(chǔ)之上僅需引入一個如圖4所示的第二閾值(第二閾值小于第一閾值)，即可在低功耗模式下實現(xiàn)跳波自診斷，進而有效抑制跳波的產(chǎn)生。

低功耗自診斷雙閾值法主要分為3個部分：

第1部分，如圖4所示，主要作用是產(chǎn)生3個連續(xù)的診斷窗口W1、診斷窗口W2和診斷窗口W3。超聲波信號幅值首次越過第一閾值后，經(jīng)閾值單次觸發(fā)保持產(chǎn)生信號a，經(jīng)第二閾值反復觸發(fā)產(chǎn)生帶計時脈沖串的信號b，信號a與信號b進行邏輯與之后產(chǎn)生信號c，信號c經(jīng)過邏輯非操作之后產(chǎn)生信號d，信號d經(jīng)過下降沿觸發(fā)保持后產(chǎn)生信號e，信號e經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后產(chǎn)生帶診斷窗口W1的信號f，同時信號e與信號f進行邏輯異或之后產(chǎn)生信號g，信號g經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后產(chǎn)生帶診斷窗口W2的信號h，同時信號g與信號h進行邏輯異或之后產(chǎn)生信號i，信號i經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后產(chǎn)生帶診斷窗口W3的信號j。所以，3個診斷窗口的開啟時間(上升沿)由信號c的第一個脈沖上升沿決定。

圖4 計時脈沖串和診斷窗口產(chǎn)生原理

第2部分，如圖5所示，主要作用是產(chǎn)生計時用的計時脈沖。超聲波信號經(jīng)第二閾值反復觸發(fā)產(chǎn)生信號b，信號b經(jīng)過一定的延時τ1產(chǎn)生信號b1，信號b與信號b1經(jīng)過邏輯與產(chǎn)生信號b2，信號b2經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后產(chǎn)生信號b3，信號b3經(jīng)過一定的延時τ2產(chǎn)生信號b4，信號b3與信號b4經(jīng)過邏輯與產(chǎn)生信號b5，信號b5經(jīng)過邏輯非操作之后產(chǎn)生信號b6，信號b6經(jīng)過下降沿觸發(fā)保持后產(chǎn)生信號b7，信號b7經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后產(chǎn)生信號b8，信號b8經(jīng)過一定的延時τ3產(chǎn)生帶計時脈沖TP的信號b9。所以，計時脈沖TP的上升沿由計時脈沖串第3個脈沖的上升沿決定。

圖5 計時脈沖產(chǎn)生原理

τ1、τ2、τ3、θ和σ需滿足式(5)的要求：

(5)

式中T為超聲波信號周期。

第3部分，如圖6所示，主要作用是根據(jù)計時脈沖分別落在各診斷窗口中的情況來診斷跳波情況。跳波可分為3種情況，往前跳波、無跳波和往后跳波。圖6中，b(F1)為往前跳一個波，b(N)為無跳波，b(B1)為往后跳一個波，這3種情況在實際使用中較為常見。其中，F(xiàn)m代表往前跳波數(shù)，m為正整數(shù)；Bn代表往后跳波數(shù)，n為正整數(shù)。

圖6 跳波判斷原理

當m≥2時，圖4中的信號c沒有發(fā)生變化，所以W1、W2、W3位置不變，而計時脈沖串較無跳波時，在前端增加了m個方波，所以TP向前移動了m個周期，較W1提前了(m-1)個周期，所以窗口均沒有捕捉到TP信號，可判斷為往前跳波；而當n≥2時，圖7中的信號c向后移動了(n-1)信號周期，所以W1、W2、W3位置也將向后移動(n-1)信號周期，而計時脈沖串較無跳波時在前端減少了n個方波，TP向后移動了n個周期，仍然落在W3中，可診斷為往后跳波，如圖7所示。因此，可依據(jù)表1第一閾值觸發(fā)跳波增值表來診斷跳波情況。

圖7 往后跳2個波診斷情況

表1 第一閾值觸發(fā)跳波真值表

假設(shè)第一閾值觸發(fā)往前跳波的概率是10.0%，無跳波的概率是80.0%，往后跳波的概率是10.0%，第二閾值觸發(fā)往前跳波的概率是20.0%，無跳波的概率是60.0%,往后跳波的概率是20.0%，那么可以得出所有9種測量情況的出現(xiàn)概率，如表2所示。只有出現(xiàn)第1、5和9的情況時，才會進入計時芯片進行計時，所以計時準確的概率可由式6計算得到：

表2 9種測量情況概率統(tǒng)計表

(6)

測量準確率與僅用第一閾值或者第二閾值測量時的準確率比較，分別提高了12.3%和32.3%，顯著提升了測量可靠性。

2 實驗驗證

2.1 第一閾值比例系數(shù)TFS設(shè)置可靠性驗證

低功耗自診斷雙閾值法的應(yīng)用有個重要的前提條件，即第一閾值比例系數(shù)TFS的設(shè)置要相對可靠。也就是需要超聲波信號在實際使用中，具有較快的起振速度，相鄰波峰的幅值具有較大差異。由于，超聲波信號包絡(luò)容易受到流場和溫度產(chǎn)生非線性的變化，因此，首先通過實驗獲取了所使用的200 kHz超聲波換能器在不同溫度(-20～50 ℃)和流量(80～800 m3/h)下的信號。溫度實驗平臺和流量實驗平臺分別如圖8(a)和圖8(b)所示。通過實驗可得如圖8(c)和8(p)所示的第一閾值比例系數(shù)TFS隨溫度和流量變化的情況(采樣周期為1 ns)。所使用換能器在測試范圍內(nèi)，第一閾值比例系數(shù)TFS在0.27～0.31之間變化，不容易因溫度變化導致第一閾值被誤觸發(fā)導致跳波。

(p)閾值比例系數(shù)TFS(800.0 m3/h)

2.2 低功耗自診斷雙閾值法電路設(shè)計

根據(jù)第1節(jié)，低功耗自診斷雙閾值法電路如圖9～圖11所示。圖9主要采用低功耗TDC_GP2計時芯片、低功耗單片機MSP430和相應(yīng)的邏輯芯片來實現(xiàn)計時和診斷跳波功能。圖10和圖11電路主要采用低功耗比較器U1、低功耗RS觸發(fā)器U2、低功耗單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U3、U4、U5、低功耗延時芯片U6、U7和相應(yīng)的低功耗邏輯芯片來產(chǎn)生計時脈沖串TP和診斷窗口W1、W2、W3。

(a)-20～50 ℃下閾值比例系數(shù)TFS采集實驗平臺

(h)閾值比例系數(shù)TFS(30 ℃)

圖9 計時和跳波診斷電路

(a)診斷窗口W1、W2、W3產(chǎn)生電路

(a)計時脈沖TP產(chǎn)生電路

2.3 低功耗驗證

供電電壓為3 V時，低功耗自診斷雙閾值法主要芯片及功耗如表3所示.若時差法流量計每次時差測量運行時間tm=0.2 s，測量間隔ti=4 s或者ti=8 s，可通過式(7)得出測量的平均電流Ii：

表3 主要芯片功耗

(7)

采用一節(jié)3.6 V-19AH鋰電池供電時，其工作時長可通過式(8)得到：

(8)

式中Ii為間隔is測量的平均電流。

因此，采用4節(jié)19Ah鋰電池供電，在8 s測量一次的條件下，工作壽命可長達8 a。

2.4 溫度變化引發(fā)跳波的診斷實驗

溫度變化引發(fā)跳波的診斷實驗平臺如圖8(a)所示，溫度范圍-20～50 ℃，每隔10 ℃作為1個測試溫度點。實驗每組測量25次，設(shè)置300組，以獲得7 500個計時脈沖分布在W1、W2、W3窗口內(nèi)的情況。分布示意圖如圖12所示，圖12(a)為計時脈沖在W1內(nèi)，出現(xiàn)往前跳波，圖12(b)為計時脈沖在W2內(nèi)，未出現(xiàn)跳，圖12(c)為計時脈沖在W3內(nèi)，出現(xiàn)往后跳波。每一個測試溫度點下的7 500個計時脈沖分布在W1、W2、W3窗口內(nèi)的情況，如圖13所示。 跳波數(shù)據(jù)個數(shù)最多為0 ℃時，往前、往后共計17個，其余溫度測試點下，均在10個以內(nèi)。不僅驗證了溫度變化的確能導致跳波，而且通過低功耗自診斷雙閾值法能有效診斷跳波情況。

(a)往前跳波W1&TP

(a)W1、W2、W3中計時脈沖數(shù)(-20 ℃)

2.5 流量變化引發(fā)跳波的診斷實驗

流量變化引發(fā)跳波的診斷實驗平臺如圖8(b)所示。實驗分為2個部分，第一部分驗證0 ～28 m/s流速范圍內(nèi)(對應(yīng)口徑100 mm超聲波流量計0～800.0 m3/h的流量范圍)，跳波診斷的有效性。數(shù)據(jù)通過SD卡采集，跳波診斷數(shù)據(jù)如圖14所示。在640.0 m3/h的流量下，未出現(xiàn)跳波，但是在700.0 m3/h以上尤其是流量達到800.0 m3/h時，有效診斷出508個跳波數(shù)據(jù)，而且全部是往前跳波數(shù)據(jù)，因為第二閾值相比于第一閾值更容易被觸發(fā)，符合邏輯分析。

(a)W1、W2、W3中計時脈沖數(shù)(80 m3/h,200 m3/h,320 m3/h,560 m3/h,640 m3/h)

第二部分，通過標定結(jié)果來進一步驗證該方法的可行性。實驗根據(jù)《JJG 1030-2007超聲波流量計檢定規(guī)程》設(shè)置流量點以及校核相應(yīng)的測量精度，最大流量設(shè)為qmax=800.0 m3/h，最小流量設(shè)為qmin=8.0 m3/h，拐點流量qmax=80.0 m3/h。根據(jù)檢定規(guī)程，1級表要求拐點流量以下重復性<0.4%，示值誤差<2.0%，拐點流量以上重復性<0.2%，示值誤差<1.0%，測試結(jié)果如表4所示，滿足上述要求。間接驗證，該方法能夠有效診斷跳波，濾除跳波數(shù)據(jù)，使得大流量情況下能符合計量要求。

表4 口徑100 mm超聲波流量計8～800 m3/h標定結(jié)果

3 結(jié)論

低功耗自診斷雙閾值法在傳統(tǒng)可調(diào)單閾值法的基礎(chǔ)上增加一個較小的第二閾值，然后通過采用低功耗比較器、低功耗RS觸發(fā)器、低功耗單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、低功耗延時芯片和相應(yīng)的低功耗邏輯芯片來在保證低功耗的前提下，產(chǎn)生所需的計時脈沖TP和跳波診斷窗口W1、W2、W3。再然后，根據(jù)計時脈沖TP落在各診斷窗口中的情況來診斷跳波情況，當TP落在W1或者未落在任何窗口內(nèi)，則可診斷為往前跳波，落在W2則可診斷為無跳波，落在W3則可診斷為往后跳波。采用上述方法的硬件測量電路，在4節(jié)3.6 V容量為19 Ah鋰電池供電以及8 s測量一次的條件下，工作壽命可長達8 a。而且，通過溫度和流量實驗，有效驗證了該方法的可行性，采用此方法的口徑為100 mm的時差法超聲波流量計在滿足JJG 1030—2007檢定規(guī)程對1級表的性能要求下，量程比達到了1∶100。

因此，低功耗自診斷雙閾值法僅依靠低功耗芯片就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時篩選，有效抑制了跳波現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了測量可靠性。