高精度超聲波流量計的設(shè)計

劉 健，李思穎

（1.華北理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北唐山一中，河北 唐山 063000）

0 引言

流體流量的計量方法很多，常用的包括壓差法、熱式法、多普勒法、時差法等。利用超聲波測量液體和氣體的流量有很多優(yōu)點，如幾乎不影響流速，對管徑的適應(yīng)性強等[1]。時差法超聲波流量計通過測量超聲波在流體中順流、逆流傳播的時差來計算流量。目前，時差法超聲波流量計多采用在發(fā)射超聲波后檢測接收信號某個過零點的出現(xiàn)時刻，進而計算時差及流量，但由于接收信號被利用到的信息量過少，因而計量精度低，且抗干擾能力差[2]。本文給出了一種時差法超聲波流量計的實現(xiàn)方法，利用數(shù)字信號處理技術(shù)提高了時差的計算精度，從而提高了流量計量的精度。

1 時差法超聲波流量計量的原理

時差法超聲波流量計量即把超聲波傳感器相對安裝在流體的上游和下游，如圖1。上游傳感器UP發(fā)射超聲波，下游傳感器DN接收，算出傳播時間t1；再切換成DN發(fā)射，UP接收，算出t2；則可求出時差Δt。由于時差和流速成正比，故可算出流速，進而得到流量[3]。時差法超聲波流量計量可用于液體、氣體流量計量，本文限于對液體計量進行討論。

圖1 時差法超聲波流量計傳感器安裝圖Fig.1 Installation of TDOA ultrasonic flowmeter sensor

設(shè)管道的內(nèi)徑為D，流體中超聲波的聲速為v0，流體流速為v，超聲波傳感器軸線與流體流速的夾角為α，超聲波傳播路徑為L（L = D/ sinα），由此可得

由式（1）、式（2）可得

因此，時差法流量計量核心在于精確算出Δt。精度的高低決定于超聲波發(fā)射/接收電路的設(shè)計以及算法。

2 時差法超聲波流量計的電路結(jié)構(gòu)

本文所述的超聲波流量計型號為KH-5，電路結(jié)構(gòu)如圖2。MCU（微控制器）作為控制/計算中心，采用ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的LPC2214。上游傳感器UP和下游傳感器DN在MCU的控制下交替發(fā)射/接收，接收到的信號的幅值被增益調(diào)節(jié)電路放大到適當?shù)姆秶俳?jīng)偏置放大電路調(diào)理到ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的信號輸入范圍。信號由LPC2214內(nèi)置的ADC采集后，通過時差數(shù)字算法可以得到精確時差，后再算出流速。除最小系統(tǒng)外，為MCU擴展了256K的16位外部RAM，可利用按鍵陣列和LCD顯示器進行人機交互，并外接了RS485接口及電流環(huán)接口以進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 KH-5型超聲波流量計電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Circuit structure of KH-5 ultrasonic flowmeter

為上/下游傳感器各配備了一套發(fā)射/接收電路，超聲波傳感器的諧振頻率為1MHz，如圖3。當上游發(fā)射/下游接收時，MCU發(fā)出1MHz脈沖信號（脈沖數(shù)量可設(shè)定）至功率MOSFET驅(qū)動器TC4427的輸入端，輸出經(jīng)場效應(yīng)管IRFZ44N放大電路后，利用變壓器及二極管（D7、D10）/（D9、D2）的交替導(dǎo)通，把單向脈沖轉(zhuǎn)換為正負交變的脈沖加到發(fā)射傳感器UP上[4]。震蕩產(chǎn)生的超聲波在液體內(nèi)正程傳播，被接收傳感器DN接收后轉(zhuǎn)換成電信號，由D8等二極管實現(xiàn)電壓保護，信號經(jīng)電壓跟隨器后輸出。當下游發(fā)射/上游接收時，過程相反，信號在液體內(nèi)逆程傳播。接收電路輸出的為微弱電信號，需經(jīng)過進一步的放大處理。

圖3 上游傳感器發(fā)射/接收電路Fig.3 Upstream sensor transmitting/receiving circuit

由MCU控制多路模擬開關(guān)把接收到的信號傳遞至增益調(diào)節(jié)電路，如圖4。模擬開關(guān)采用DG411，內(nèi)置4路獨立可設(shè)置的開關(guān)，UP_OUT+、UP_OUT-由UP_EN控制，DN_OUT+、DN_OUT-由DN_EN控制。輸出信號經(jīng)濾波電路后接到MC1350D的輸入端，MC1350D為增益可調(diào)的放大器，差分輸入/輸出，放大倍數(shù)由5號引腳Agc的模擬電壓值來控制。由于當管徑等參數(shù)變化時，接收到的信號強弱會發(fā)生變化，故需調(diào)整MC1350D的放大倍數(shù)，以保證當接收信號幅值變化時輸出信號的幅值基本不變，這樣便于后續(xù)算法中的閾值設(shè)定等操作[5]。運行時，MCU根據(jù)ADC采集信號的幅值，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5613輸出模擬信號，動態(tài)地調(diào)整Agc的模擬電壓，以保持輸出信號的穩(wěn)定。MC1350D的輸出經(jīng)放大及偏置處理后變化范圍在（0～3.3）V，由LPC2214內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換后得到接收信號的數(shù)字量以進行運算。

圖4 增益調(diào)節(jié)電路Fig.4 Gain adjustment circuit

3 傳播時差數(shù)字算法

接收到的信號為幅值變化的正弦波，把正、逆程信號的數(shù)字量數(shù)據(jù)集記為x+、x-。理論上應(yīng)把數(shù)據(jù)集x+中第1峰的起振點作為接收信號波形的起點，但由于第1峰過于微弱且傳輸存在干擾，故難以確定。應(yīng)用上一般先找到某個幅值穩(wěn)定的波峰，根據(jù)傳播路徑進行估算，把該峰定義為第幾峰。x+中的數(shù)據(jù)波形圖如圖5（a）所示，通過適當設(shè)定閾值電平，把超過此電平的第1波峰定義為接收信號的第2峰，由此可依次定義第3、4、5……峰，并可推算出t1。如何確定x-中峰值的序列是計算精確時差的關(guān)鍵，因為正、逆波形可能存在差異，所以直接取與x+中第2峰差值最小的峰定位為第2峰是不行的，必須有效利用整個數(shù)據(jù)集，可以算出x+中各峰值記為序列D1，x-中各峰值記為序列D2，利用D1、D2做相關(guān)運算，找出相關(guān)度最大值對應(yīng)的移位步長。由此，即可確定x-中的峰值序列并算出t2。上述方法可能存在誤差，利用兩路數(shù)據(jù)實現(xiàn)算法可縮小誤差。

圖5 接收信號波形圖Fig.5 Waveform of received signal

但直接用此法求Δt不行，由式（1）可知，Δt的精度直接決定流速v的精度。因此，Δt需采用高精度的算法。由于峰值會波動，過零點則非常穩(wěn)定，故可求出x+和x-中對應(yīng)第N峰前的過零點時刻，從而得到時差。通過插值可求出過零點，單只利用單一過零點誤差會過大。本設(shè)計中采用了算出接收信號的共軛信號，再精確算出過零點的算法。算法原理描述如下：

接收信號可以理解為：經(jīng)幅度調(diào)制的正弦波，載波頻率即為1MHz。在討論相位時，載波包絡(luò)基本可以不考慮。因此，為便于表述，把信號簡化為正弦波討論。采樣頻率為20MHz，設(shè)接收信號為x= sin(k)，利用希爾伯特變換得到 h= -cos(k)，則可得

根據(jù)式（4）可構(gòu)造反正切函數(shù)，令

則只需算出y=0時的k值，即可精確算出各過零點的值。編寫程序時，可利用x+的數(shù)據(jù)進行希爾伯特變換，得到結(jié)果數(shù)據(jù)集記為h+，如圖5（b）中的虛線；再用x+中的數(shù)依次除以h+中的數(shù)據(jù)的相反數(shù)，計算結(jié)果作反正切運算，所得值的數(shù)據(jù)集記為y+，如圖5（c）；y+中過零點上下的數(shù)據(jù)作差值，依次算出各個過零點的k值，即可得到x+中的各個過零點的時刻；接下來再求出x-中的各個過零點的時刻，進而求出各峰的Δt，再取平均值即可得到精確的Δt。

4 流量算法

算出Δt后，可由式（3）求出流速v。但需說明，此流速v為超聲波傳輸線路上的流場的平均流速，而計算流量需算出整個管道內(nèi)流場的平均流速v'。算v'的值需用到流場的雷諾數(shù)的值，雷諾數(shù)的計算公式為

式（6）中：Re為雷諾數(shù)，v'為平均流速，D為管道內(nèi)徑，η為液體運動粘滯系數(shù)。

算Re需用到平均流速v'，而v'為待求的值。解決方法為：開機時算Re值用的v'取經(jīng)驗值，以后算Re時用上一輪算出的v'即可。算出Re后，一般根據(jù)Re的范圍而采用相應(yīng)的公式。當Re<2320時，可用公式v'= 0.7v算出平均流速，乘以πD2/4即為流量[6]。

上述電路設(shè)計及算法亦可適用于氣體流量計量，考慮超聲波在氣體中傳播的特性，可采用125KHz的傳感器。此外，為進一步提高計量精度，可采用多聲道超聲波計量，各聲道的傳感器可布置在高斯節(jié)點相應(yīng)位置，輪換算出各聲道的流速，乘以系數(shù)相加后即可得到管道平均流速[7]。

5 結(jié)論

超聲波時差法是流量計量的重要方法，本文討論了一種時差法超聲波流量計KH-5的設(shè)計方法，給出了KH-5的電路結(jié)構(gòu)及工作原理，描述了高精度時差算法及流量的計算方法。經(jīng)計量標定，表1為DN100管道標定測量的結(jié)果，KH-5在（0.5～12）m/s流速范圍內(nèi)可以達到0.5級的精度。在計量應(yīng)用中，可以在熱力站、工廠車間等場景的工況下正常工作，計量穩(wěn)定可靠。KH-5的設(shè)計具有通用性，可推廣至氣體流量計量等應(yīng)用，通過改變聲場布局，改進信號測量及算法，計量精度還可進一步提高。

表1 KH-5標定測量結(jié)果Table 1 KH-5 Calibration measurement results