基于脈沖序列法的時差法超聲波流量計設(shè)計

近幾年來，超聲波流量計由于其非接觸式，不受流體物理化學性質(zhì)影響的特點被廣泛應(yīng)用。對時差式超聲波流量計而言，精確地測量超聲波傳播的時間是提高測量精度的關(guān)鍵，而在當前測時芯片精度已經(jīng)達到ps級別的基礎(chǔ)上，要提高測量精度的關(guān)鍵就在于準確判斷超聲波形到達的時刻。超聲波信號的波形對準確判斷超聲波到達的時間點顯得尤為關(guān)鍵。因此本文提出一種新的方法來對超聲信號進行處理判斷，以期更準確判斷超聲波信號到達時間，從而提高超聲波流量計測量精度。

1 測量原理

時差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時間差與被測流體流速之間的關(guān)系來求流速的方法。其本質(zhì)是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動的影響，在順流和逆流時測出的時間會不同，因此再根據(jù)測出時間的差值就可以計算出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。其原理圖如圖1所示：逆流換能器和順流換能器相對于管道軸線的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線距離為L，流體流速V。

圖1 時差法超聲波流量計工作原理

測量時，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發(fā)射超聲波端。超聲波的實際傳播速度c₀是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量νcosθ的和：

    （1）

此時，順逆流傳播時間為：

    （2）

由上式可得到順逆流時間差為：

    （3）

由于一般超聲流量計最大可測流速在10m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1500m/s，遠遠大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時間差為：

    （4）

相應(yīng)的，流體流速流量公式可以表示如下：

    （5）

     （6）

由公式（5）可知超聲波順逆流傳播時間的測量精度直接影響到流速的測量精度和測量范圍。

2 脈沖序列法

脈沖序列法，它是在電平比較法的基礎(chǔ)上引申出來的一種信號處理方法，其示意圖如圖2所示。系統(tǒng)中選擇一個參考電平（閾值）對超聲信號進行比較得到比較后的方波信號，測量方波信號的前六個上升沿和下降沿時間，也就是圖中的t1、t2、t3、t4、t5和t6，同時記錄得到的方波信號脈沖個數(shù)。得到這六個時間點和方波信號脈沖個數(shù)之后，就可以根據(jù)脈沖序列法的判斷標準來進行分析，判斷超聲信號的質(zhì)量是否滿足計算流速流量的條件。

圖2 脈沖序列法示意圖

脈沖序列法主要是根據(jù)圖示中方波信號的脈沖序列的脈寬時間來進行判斷，由于硬件電路測時的限制，這里只能測量前三個脈沖的脈寬時間，考慮到脈寬時間基本滿足先增后減的規(guī)律，我們選取差距較大的第一個脈沖和第三個脈沖的脈寬時間進行判斷。這里我們選取的判斷準則是限定第三個脈沖脈寬時間和第一個脈沖脈寬時間的比值a在一定范圍內(nèi)，那么關(guān)于這個范圍的選取就是這個方法的重點。由于這個比值與超聲信號的幅值和選取的參考電平大小都有一定關(guān)系，根據(jù)要求我們這里設(shè)定參考電平為1V，超聲信號的第一個周期峰值選在1.5V左右，而實際情況中難以精確保證信號第一個周期峰值在1.5V，因此可以設(shè)定峰值為1.3V到1.8V之間。

超聲波信號的包絡(luò)線為調(diào)幅載波的調(diào)制信號，其數(shù)學模型為指數(shù)衰減的高斯脈沖信號，確定函數(shù)后通過仿真獲得超聲信號第一個周期峰值分別為1.3V和1.8V的理論時間數(shù)值如表1所示：

表1 第一周期峰值與脈沖序列脈寬比值的關(guān)系

由表1數(shù)據(jù)顯示，我們看到時間數(shù)據(jù)都是ns級的，而計時芯片TDC－GP2的分辨率達到ps級，因此TDC－GP2能夠滿足測量時間的分辨率。但是理想超聲波形和實際接收的超聲波形的時間值還是會有一定的差距，因此我們對于脈寬時間的比值范圍選取適當擴大一點，這里暫時設(shè)定為：1.4≤△t3/△t1≤1.9。當然，具體的范圍可以根據(jù)現(xiàn)場情況再做調(diào)整。

在判斷好脈寬時間的比值在限定范圍后，我們還需要根據(jù)脈沖個數(shù)來判斷順逆流兩種情況下捕獲的相應(yīng)時間點在同一個周期波形上，如果順逆流捕獲的時間不在同一個周期波形上，那么在計算順逆流傳播時間差時會存在一個或者多個周期的誤差。因此，我們需要判斷順逆流兩種情況下由參考電平比較過后的脈沖個數(shù)是相等的，由仿真圖形可以暫定脈沖個數(shù)在5～7個之間為正常。

3 實驗驗證

建立基于脈沖序列法時差法超聲波流量計系統(tǒng)后，在25mm管道上對其進行實驗驗證。首先系統(tǒng)測量了脈沖序列法所需的六個時間點數(shù)據(jù)用以檢驗脈沖序列法的效果，其測量數(shù)值如表2所示：

表2 脈沖序列法6個時間點數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中給出的數(shù)據(jù)我們可以看到與其他數(shù)據(jù)相比第3組數(shù)據(jù)和第6組數(shù)據(jù)有較大的差異。其中第3組數(shù)據(jù)中每個時間點相比其它幾組數(shù)據(jù)都大了1μs左右，這是因為它的第一個正向半波受到衰減導致其峰值小于系統(tǒng)設(shè)置的參考電平甚至衰減為零，因此采集到的六個時間點比預計時間后延了一個周期。這種情況下它所產(chǎn)生的方波信號脈沖個數(shù)可能會不滿足條件，即使脈沖個數(shù)仍然在設(shè)定范圍內(nèi)，但是順逆流兩次測量中如果只產(chǎn)生一次這種狀態(tài)，那么在判斷順逆流脈沖個數(shù)是否相等時也可以剔除這組數(shù)據(jù)，因此通過本論文提出的脈沖序列法進行判斷可以去除這組數(shù)據(jù)給最終測量結(jié)果帶來的誤差。而第6組數(shù)據(jù)每個時刻點都與其他組的數(shù)據(jù)有一些偏差，比較明顯的是前兩個數(shù)據(jù)差距較大，通過計算可以發(fā)現(xiàn)第一個脈沖脈寬時間大大減小，其數(shù)值為0.10313μs，而第一個脈沖與第三個脈沖脈寬時間的比值為3.64254，遠遠大于其他幾組數(shù)據(jù)的比值，明顯超出系統(tǒng)設(shè)定比值范圍，因此可以根據(jù)這個判斷準則剔除這組數(shù)據(jù)。

本文在驗證了脈沖序列法的效果之后，根據(jù)基于脈沖序列法的時差法超聲波流量計系統(tǒng)進行了流量測量驗證。實驗采集了5個流速測量點進行測量，在每一個測量點處進行多次測量并將本系統(tǒng)設(shè)計的流量計測量結(jié)果與標準流量計測量結(jié)果進行比較，得到數(shù)據(jù)如表3所示：

表3

由表3的數(shù)據(jù)可知，25mm口徑管道流速在0.2～4m/s范圍內(nèi)精度都在1%左右，重復性在0.5%左右。根據(jù)GB/T778.1－1996標準可知口徑為25mm的管道常用流量為3.5m³/h，在該流量處測量精度和重復性均在0.6%左右，與市面上一些時差法超聲波液體流量計的精度和重復性相比有了一定的提升。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)時差法超聲波流量計基礎(chǔ)上提出了一種新的方法，基于脈沖序列法的時差法超聲波流量計設(shè)計方案，并通過實驗驗證了該方法的可行性。