劉澤忠 徐 英 張 濤

(1.天津市過(guò)程檢測(cè)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(chǎng)、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓力損失、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠及測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于流體流量的測(cè)量。超聲波流量計(jì)按測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)時(shí)，由于超聲換能器的諧振特性并且超聲傳播過(guò)程中存在衰減和噪聲干擾，精確判斷接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻比較困難，從而制約著測(cè)量精度的提高。

雙門限電平觸發(fā)法是一種確定信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的檢測(cè)方法。雙門限電平觸發(fā)原理概括為“前沿檢測(cè)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(cè)量時(shí)，接收信號(hào)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(hào)幅值的波動(dòng)范圍，使信號(hào)基本保持穩(wěn)定，但是因?yàn)榻邮招盘?hào)的包絡(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(cè)量接收信號(hào)的實(shí)際幅值對(duì)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(hào)幅值達(dá)到此電平時(shí)給出觸發(fā)允許，當(dāng)信號(hào)到達(dá)特征點(diǎn)時(shí)，作為信號(hào)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(guò)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(hào)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(guò)零點(diǎn)或峰值點(diǎn)等，這樣可以避免因?yàn)樾盘?hào)幅值變化而引入相位誤差。圖1中發(fā)射信號(hào)為脈沖信號(hào)，接收信號(hào)為棗核形包絡(luò)的一簇正弦波信號(hào)，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(guò)零電平，與接收信號(hào)進(jìn)行比較，起到過(guò)零檢測(cè)的作用，可以有效地消除相位誤差，提高傳播時(shí)間測(cè)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(hào)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(lái)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(duì)穩(wěn)定。通過(guò)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在所檢測(cè)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(cè)量這兩個(gè)峰值(目標(biāo)峰值)，然后才能通過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值保持，同時(shí)對(duì)峰值信號(hào)進(jìn)行高速AD采樣，然后在單片機(jī)中對(duì)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(hào)全部通過(guò)，稱為峰值保持電路1。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，如圖2所示。在發(fā)射激勵(lì)脈沖信號(hào)后，開始對(duì)峰值保持電路1的信號(hào)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(hào)部分通過(guò)，稱為峰值保持電路2。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，如圖3所示。在設(shè)計(jì)中，此電路使用了3個(gè)，分別用來(lái)保持接收信號(hào)中的連續(xù)3個(gè)峰值。在接收信號(hào)通過(guò)之后，對(duì)3個(gè)峰值保持電路2的信號(hào)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(hào)

a. Ub1為觸發(fā)電平后的峰值信號(hào)

b. Ub2為觸發(fā)電平后的峰值信號(hào)

c. Ub3為觸發(fā)電平后的峰值信號(hào)

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(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)3路峰值保持電路2，能夠獲得圖3中峰值Ub1、Ub2、Ub3對(duì)應(yīng)的3個(gè)電壓值，同時(shí)，峰值保持電路1的信號(hào)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(hào)中找到目標(biāo)峰值提供判斷依據(jù)。把Ub1、Ub2、Ub3對(duì)應(yīng)的電壓值與峰值保持電路1的信號(hào)高速AD采樣得到的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，就能在其中找到對(duì)應(yīng)的數(shù)值，其中圖3中的峰值Ub1、Ub2、Ub3即對(duì)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(hào)AD采樣值中往前遞推找到目標(biāo)峰值1對(duì)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(guò)加權(quán)平均法計(jì)算出觸發(fā)電平，轉(zhuǎn)化為對(duì)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(duì)下一次測(cè)量時(shí)接收信號(hào)到來(lái)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(cè)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(hào)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(cè)時(shí)芯片TDC-GP21，測(cè)量精度可達(dá)22ps，保證了時(shí)間測(cè)量的精度要求。

圖4 超聲波流量計(jì)測(cè)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(guò)脈沖發(fā)射與切換模塊輪流對(duì)換能器A和B發(fā)射激勵(lì)脈沖信號(hào)。

接收切換與信號(hào)處理模塊一方面負(fù)責(zé)將發(fā)射脈沖信號(hào)進(jìn)行降幅，使其通過(guò)接收電路，經(jīng)過(guò)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(hào)，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(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波、自增益控制得到峰峰值Vpp穩(wěn)定為約3V的信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過(guò)門限觸發(fā)、過(guò)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(hào)。峰值檢波模塊工作流程如圖6所示，接收信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)峰值保持電路1和2，對(duì)兩路峰值信號(hào)分別進(jìn)行AD采樣。單次測(cè)量完成后，在單片機(jī)內(nèi)對(duì)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(cè)量信號(hào)到來(lái)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(hào)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(guò)對(duì)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(guò)分析，可以對(duì)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(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

筆者使用可調(diào)壓中壓濕氣流量測(cè)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(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)，表2為使用自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法所測(cè)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(duì)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(cè)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(yǔ)

針對(duì)錯(cuò)波問題，對(duì)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(guò)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(cè)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(hào)包絡(luò)發(fā)生變化造成易錯(cuò)波的問題。

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