劉珍興, 秦 華, 劉 琦2,

(1.東華理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013;2. 江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著工業(yè)化水平的不斷提高，化工、冶金、氣體燃料輸送等行業(yè)對(duì)氣體流量計(jì)的需求變得越來(lái)越大,氣體超聲波流量計(jì)具有無(wú)壓損、量程比大、精度高等優(yōu)點(diǎn)(汪偉等，2015)，特別適合測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大口徑流量測(cè)量領(lǐng)域。超聲波在流動(dòng)的氣體中傳播會(huì)有氣體流速信息，因此可以通過(guò)超聲波的回波信號(hào)計(jì)算出氣體的流速，從而換算成氣體在計(jì)量時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流量。由于被測(cè)量管道往往存在彎管等情況，造成氣體在管道內(nèi)分布不均勻，在使用單通道超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)測(cè)量誤差較大，需采用流速分布修正系數(shù)進(jìn)行精度校正，而采用多通道超聲波流量計(jì)測(cè)量可以采集多個(gè)管道部位流量信息，能夠有效提高測(cè)量精度，因此多通道時(shí)差法在超聲波氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛(沈子文等，2015)。超聲波在氣體中傳輸時(shí)，由于能量相對(duì)較低，導(dǎo)致信號(hào)衰減嚴(yán)重，并且包含大量噪聲信號(hào)(馬勤勇，2021)。本研究根據(jù)超聲波換能器參數(shù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的回波信號(hào)調(diào)理電路，提高對(duì)氣體流量測(cè)量的準(zhǔn)確度。

1 超聲波氣體流量計(jì)原理

超聲波氣體流量計(jì)(時(shí)差法)的工作原理如圖1所示。

圖1 超聲波氣體流量計(jì)原理圖Fig.1 Working principle of ultrasonic gas flowmeter

在某一通道上，利用一組超聲波換能器交替發(fā)送和接收超聲波信號(hào)。通過(guò)測(cè)量超聲波信號(hào)在氣體中順流和逆流的渡越時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量氣體流速，再通過(guò)氣體流速計(jì)算氣體在管道內(nèi)通過(guò)的流量(趙永科等，2011)，通過(guò)以上分析可得式(1)：

(1)

式中，Tu為順流時(shí)間(s)，Td為逆流時(shí)間(s)，c為超聲波在氣體中的傳播速度(m/s)，V為氣體的流動(dòng)速度(m/s)，D為兩個(gè)換能器在通道方向的距離(m)。由式(1)可知，氣體的流速與超聲波順逆流渡越時(shí)間差成正比(Chen et al.,2014)。因此氣體流量Q可用下式表示：

(2)

根據(jù)以上氣體流量計(jì)測(cè)量原理，確定好管道參數(shù)后，只需準(zhǔn)確測(cè)量渡越時(shí)間(Tu-Td)，即圖2中的t0時(shí)間就可計(jì)算出通過(guò)管道的氣體流量。T1為激勵(lì)到采樣開始的延時(shí)時(shí)間，T2為采樣開始到起始點(diǎn)的時(shí)間段，T3為采樣開始到確定特征點(diǎn)的時(shí)間段。在零流量時(shí)，起始點(diǎn)w1比較容易測(cè)量，但當(dāng)流量較大時(shí)，w1點(diǎn)的信號(hào)信噪比較低，且峰值在不同流速時(shí)也不固定。w2為回波信號(hào)的峰值固定比例值點(diǎn)。對(duì)于不同氣體流速下，T3-T2值為一個(gè)常數(shù)。因此選擇特征點(diǎn)w2代替w1來(lái)計(jì)算出渡越時(shí)間。對(duì)于渡越時(shí)間的計(jì)算可變?yōu)槭?3)：

圖2 渡越時(shí)間測(cè)量Fig.2 Fight-time measurement

Tu-Td=t0=T1+T3-(T3-T2)

(3)

超聲波換能器參數(shù)屬性、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方法都會(huì)影響到超聲波渡越時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度。超聲波換能器的中心頻率、頻寬、阻抗、溫度以及驅(qū)動(dòng)電壓是需要考慮的主要參數(shù)。常用的超聲波換能器中心頻率為40 kHz～1 MHz，而對(duì)于氣體流量檢測(cè)常用200 kHz的超聲波換能器。

流動(dòng)氣體在管道內(nèi)的分布并不均勻(胡開明等，2013)，只使用單個(gè)通道測(cè)量管道內(nèi)的氣體流量并不能充分反映管道內(nèi)的實(shí)際流量，且單個(gè)通道的系統(tǒng)誤差較大。而多通道氣體流量計(jì)通過(guò)測(cè)量每個(gè)通道位置的線流速，再通過(guò)數(shù)據(jù)融合和系統(tǒng)規(guī)律求得管道內(nèi)的實(shí)際流量。因此多通道超聲波氣體流量計(jì)相比單通道氣體流量計(jì)其精度更高，系統(tǒng)誤差更小(薛冬晨等，2020)。

2 回波信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 回波信號(hào)分析

設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路首先要分析輸入的回波信號(hào)屬性，典型的超聲波回波信號(hào)波形如圖3所示，超聲波回波信號(hào)的阻尼余弦曲線模型如式(4)所示。

圖3 超聲波回波信號(hào)波形Fig.3 Ultrasonic echo signal

V(t)≈V0·tm·e-t/h·cos(wct+θ)

(4)

式中，V是回波信號(hào)幅值，h和θ是由超聲波換能器特性決定的常數(shù)，wc為信號(hào)的中心頻率，V0為超聲波發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，t為時(shí)間(ms)，m為傳播次數(shù)。

回波信號(hào)類似一個(gè)阻尼衰減包絡(luò)曲線乘以余弦波信號(hào)，其最高頻率為激勵(lì)時(shí)的超聲波信號(hào)頻率。由于激勵(lì)信號(hào)頻率為200 kHz。因此需設(shè)計(jì)一個(gè)奈奎斯特頻率遠(yuǎn)大于200 kHz的電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)通帶大于10 MHz的采集系統(tǒng)，即50倍信號(hào)頻率帶寬，這樣能夠保證信號(hào)低失真地被采集出來(lái)。

超聲波在氣體中傳輸時(shí)，由于能量相對(duì)較低，因此信號(hào)衰減嚴(yán)重，并且包含大量噪聲信號(hào)。因此，根據(jù)超聲波換能器參數(shù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的回波信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)氣體流量測(cè)量的準(zhǔn)確度起著至關(guān)重要的作用

2.2 信號(hào)調(diào)理電路整體結(jié)構(gòu)

本次所設(shè)計(jì)超聲波回波信號(hào)調(diào)理電路整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 超聲波回波信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of ultrasonic echo signal conditioning

為了將微小的回波信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，采用3級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的放大。Vin端為超聲波信號(hào)接收器接收的微弱回波信號(hào)，由于該信號(hào)幅度非常小，容易被噪聲信號(hào)淹沒(méi)，所以第1級(jí)作為輸入緩沖前置放大器，該級(jí)放大器緊鄰超聲波信號(hào)接收器，主要采用低噪聲、高增益帶寬積集成運(yùn)放，以避免接收電路引入噪聲對(duì)信號(hào)的影響。選用ADI公司的AD8065高性能、高增益帶寬積運(yùn)算放大器，其輸入電壓噪聲譜密度僅有7 nV/Hz，壓擺率在增益為2時(shí)能夠達(dá)到180 V/μs，非常適合作為超聲波調(diào)理電路輸入緩沖級(jí)。

由于超聲波回波信號(hào)的幅度受到氣體流速、換能器安裝位置、換能器老化等因素影響，因此調(diào)理電路的中間放大級(jí)使用增益可調(diào)的放大器。該級(jí)放大器作為信號(hào)的主放大器，將信號(hào)放大至AD所需的幅度范圍。選用AD603作為可變?cè)鲆娣糯笃?，其能夠?0 MHz帶寬下達(dá)到31 dB的放大增益，且可變?cè)鲆媾c帶寬無(wú)關(guān)。其電壓噪聲譜密度僅為1.3 nV/Hz，能夠保證無(wú)失真地放大輸入信號(hào)。AD603通過(guò)VPOS與VNEG引腳的電壓差控制其增益，使用LTC1448雙路12位DAC芯片通過(guò)軟件方法自動(dòng)調(diào)節(jié)放大器增益。

后級(jí)ADC需要差分信號(hào)輸入，因此選用AD8138低失真差分ADC驅(qū)動(dòng)器作為單端轉(zhuǎn)差分放大器，其增益帶寬積為320 MHz,在5 MHz時(shí)，其無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到-94 dB,壓擺率能夠達(dá)到1 150 V/μs，非常適合作為高速ADC差分驅(qū)動(dòng)。后級(jí)的抗混疊濾波器將信號(hào)衰減一半，因此將AD8138的增益固定設(shè)置為6.02 dB。后級(jí)高速ADC使用單電源5 V供電，因此將AD8138輸出差分信號(hào)的共模電壓設(shè)置為中間值2.5 V。

為了防止普通的電阻分壓電路帶來(lái)噪聲，因此選用REF192精密基準(zhǔn)電壓源芯片輸出2.5 V基準(zhǔn)電壓供給AD8138與LTC1448芯片使用。

2.3 可調(diào)增益放大器

可調(diào)增益放大器電路如圖5所示，AD603的輸入輸出都接有1 μF電容用于交流耦合。由于是正負(fù)電源供電，所以不需要直流偏置。共模電壓設(shè)置為0 V,因此將COMM端短接到地。FDBK引腳用于設(shè)置可調(diào)增益范圍，當(dāng)直接接到VOUT引腳時(shí)，可以提供-10 dB至+30 dB的增益。既可衰減輸入信號(hào)，也可以放大輸入信號(hào)。由于AD603的增益由VOUTA-VOUTB設(shè)定，因此可以使用DAC芯片LTC1448用于改變電壓從而實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)節(jié)增益(楊繼，2018)。

圖5 可調(diào)增益放大器Fig.5 Adjustable gain amplifier

2.4 單端轉(zhuǎn)差分放大器

當(dāng)輸入信號(hào)包含各頻率信號(hào)的連續(xù)波時(shí)，單端放大器與差分放大器的輸出可表示為傅里葉級(jí)數(shù)公式。

單端放大器輸出如式(5)和(6)所示。

(5)

Vout=C0+C1(cosωt)+C2(cosωt)2+C3(cosωt)3+…+Cn(cosωt)n

(6)

差分放大器輸出如式(7)至(10)所示。

Vout=Vout+-Vout-=∑[Cn(Vin+)n-Cn(Vin-)n]

(7)

Vout+=C0+C1(cosωt)+C2(cosωt)2+C3(cosωt)3+…+Cn(cosωt)n

(8)

Vout-=C0+C1(-cosωt)+C2(-cosωt)2+C3(-cosωt)3+…+Cn(-cosωt)n

(9)

Vout=2C1(cosωt)+2C3(cosωt)3+…+2Cn(cosωt)2n-1

(10)

從單端放大器與差分放大器的輸出公式可以看出，差分放大器相比單端放大器少了2n次諧波分量,使有用信號(hào)幅度加倍。另外，由于差分信號(hào)的變化產(chǎn)生相反磁場(chǎng)，因此差分系統(tǒng)的EMC性能較好(霍紅慶等，2019)。

圖6 單端轉(zhuǎn)差分放大電路Fig.6 Single ended amplifier convert to differential amplifier circuit

2.5 差分抗混疊濾波器

為了提高信噪比，根據(jù)電路需求，設(shè)計(jì)截止頻率為20 MHz，輸入阻抗為100 Ω，輸出阻抗為100 Ω，增加滾降速率為-200 dB/d的5階差分抗混疊濾波器，電路如圖7所示。

圖7 5階差分抗混疊濾波器Fig.7 Anti-aliasing filter

3 電路仿真及仿真結(jié)果分析

使用TINASpice仿真工具對(duì)信號(hào)調(diào)理級(jí)電路進(jìn)行仿真，仿真模型基于ADI公司的Spice元件模型。仿真電路如圖8所示。

圖8 信號(hào)調(diào)理電路仿真Fig.8 Simulation of signal conditioning circuit

電路中電源輸出包含一定大小的紋波用于仿真實(shí)際系統(tǒng)(管小明等，2010)，用兩個(gè)包含紋波的電源作為雙路DAC輸出仿真模型。激勵(lì)信號(hào)設(shè)置為1.5 V偏置電壓、1 V峰值、200 kHz頻率的正弦波?？傇鲆嫱ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)DAC輸出電壓設(shè)置為1即0 dB增益。

信號(hào)調(diào)理仿真電路的輸入輸出波形如圖9所示，輸入輸出信號(hào)波形基本一致，且相位保持同步，直流特性好。

圖9 輸入輸出波形Fig.9 The input/output waveforms

幅頻特性及相頻特性曲線如圖10所示。由于輸入緩沖級(jí)和可調(diào)增益放大級(jí)之間是交流耦合的，并且抗混疊濾波器是低通濾波器，所以使得信號(hào)相當(dāng)于通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，帶寬為20.5 MHz,在200 kHz信號(hào)左右，其帶內(nèi)插入損耗的波動(dòng)小于0.1 dB，通帶內(nèi)平坦度非常好。在信號(hào)幅度-3 dB、截止頻率20.59 MHz點(diǎn)后，阻帶內(nèi)下降速度非?？?，能夠達(dá)到每十倍頻程210.5 dB。

圖10 幅頻特性及相頻特性曲線Fig.10 Amplitude frequency characteristic and phase frequency characteristic curve

從相頻特性曲線可以看出，在1 kHz到10 MHz頻率范圍內(nèi)相位變化幾乎為0，因此可以保證系統(tǒng)在此頻率范圍內(nèi)的相移最小，避免產(chǎn)生自激現(xiàn)象。

系統(tǒng)信噪比曲線如圖11所示。整個(gè)帶通范圍內(nèi)，系統(tǒng)的信噪比都大于70 dB。在信號(hào)頻率200 kHz左右，其信噪比可達(dá)到93 dB,高信噪比可以有效地減小由噪聲帶來(lái)的誤差。

圖11 信噪比曲線Fig.11 Signal to noise ratio curve

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該電路的直流特性、交流特性、幅頻特性、相頻特性、噪聲等性能指標(biāo)進(jìn)行分析?？梢钥闯觯撾娐份斎胼敵鲂盘?hào)相位基本同步，直流特性好；當(dāng)信號(hào)頻率為200 kHz時(shí)，其帶內(nèi)插入損耗的波動(dòng)小于0.1 dB，通帶平坦；在信號(hào)幅度-3 dB、截止頻率20.59 MHz點(diǎn)后，阻帶內(nèi)滾降速度非常迅速，信號(hào)頻率在1 kHz到10 MHz范圍內(nèi)相位變化幾乎為0；輸入信號(hào)頻率200 kHz時(shí)，其信噪比可達(dá)到93 dB。仿真結(jié)果可以看出所設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，能夠滿足超聲波氣體流量計(jì)回波信號(hào)處理需求。